文档介绍：二、立论依据
(包括项目的研究意义、国内外研究现状分析,并附主要参考文献及出处)
对基础研究,着重结合国际科学发展趋势,论述项目的科学意义;
对应用基础研究,着重结合学科前沿、围绕国民经济和社会发展中的重要科技问题,论述其应用情景。
输液管作为一种重要的工程结构,在机械、石油化工、核电及海洋工程等诸多工程领域有着广泛的应用,特别是对于核反应堆和大型的石油化工设施,如何避免因输液管的流致振动而引发的失稳,一直是工程界迫切需要解决的问题,也一直是国际上研究的热点。同时,特别是近几年来,输液管模型作为动力学研究的一个新范例[1,2],通过分析它可以揭示许多千变万化的动力学现象(目前主要是输液直管的分岔与混沌等力学行为),所以输液管的研究不仅具有广阔的工程应用背景,也具有重要的学术理论价值。
至今输液管研究的现状是,对输液直管非线性振动方程的建模、分岔与混沌等方面的研究比较充分[1~3],成果也较多,主要包括:1)考虑在两端不可移动支承条件下由于横向挠度引起的轴向拉力以及大曲率变形的影响,建立了输液直管比较完整的非线性运动方程。2)提出了一些分析非线性动力系统的现代计算方法并将成功地运用于其非线性振动的研究之中。3)研究了定常流和振荡流作用下各种悬臂直管的分岔与混沌行为,如文献[3]发现了立式悬臂输液直管的非线性振动存在一种双退化分岔,并依次采用中心流形约化(Center Manifold Reduction)、平均化(Averaging)和正规化(Normal Forms)方法,在一阶模态空间研究了系统在双退化点附近的运动性态,同时指出了一些参数的变化会诱发混沌;文献[4]用平均化方法分析了带有终端喷嘴的悬臂直管周期运动的稳定性,给出了系统分岔的条件,并用数值仿真加以验证。4)分析了两端支承输液直管非线性振动的稳定性以及振荡流导致的参数共振。
然而,与直管相比,输液曲管的研究要少得多,分岔与混沌的问题几乎尚未涉及。因为输液曲管要比直管复杂得多,直管只需用一个独立变量(挠度)和一个控制方程就可以描述其运动,而曲管要用四个独立变量(三个管中心线的位移分量和一个扭转角)和四个控制方程才能完整的描述其运动,其非线性运动方程过于复杂,分析难度倍增,不仅如此,曲管的静平衡位置还与流速有关。通常的研究需要作一定假设,将曲管运动解耦为面内和面外运动,使问题简化。在生产实际中,输液曲管应用的广泛性和重要性更是不言而喻,管路的弯头、拱形管道和圆弧形冷却管等都是常见的工程结构。所以,近几年曲管的研究仍取得一些进展:Aithal和Gipson[5]研究了各种边界条件下输液曲管的稳定性,着重考察了内外阻尼对其稳定性的影响,结果发现:⑴对有阻尼情况除非保守系统外,还可以使保守系统也以颤振形式失稳;⑵当流速增加时,张角小于90度的曲管和张角大于90度的曲管会以不同的形式失稳;黄玉盈等[6]用有限元法—提出了一个具有7自由度的特殊单元对输液曲管进行了分析,其特点是用一系列的圆弧单元去逼近曲管,并求出了悬臂输液曲管的临界流速;Koo和Yoo[7]也是使用有限元法—基于动力刚度方法、导出一种输液直管和曲管单元分析了反应堆中热流管系(曲、直管相连得空间结构)的稳定性问题。可是这些工作都是基于线性振动理论,适用范围有较大局限性,这可以从输液直管的研究内容中看到[1~4],非线性振动的研究同线性振动相比,有着更重要的意义。这是因为:第一,分析输液管系统,如何确定解支路径,怎样判断在解支路径上分岔点(奇点)的稳定性,仅研
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究线性问题无能为力。第二,由于非线性因素的存在,系统在周期性干扰力(包括参数激励)作用下会产生异频振动。正因为这样,输液管的振荡流速作用导致的参数共振有很丰富的内容,可能出现次谐波共振,,特别是对于强非线性系统,出现的分岔现象往往十分复杂,在解支路径上还可能会发生多次分岔,从而诱发出混沌。这也就是近几年来输液直管的非线性振动研究如此活跃的原因。在实验方面,Haslinger等人[8]考虑了弯头的影响,分析了U型管束在流激励下的一些响应特性。Ko和Bert[9]采用小参数法首次对两端支承输液曲管作了(弱)非线性振动(幅频特性)分析,但他们的曲管运动方程有问题—缺少了反映结构和流体的耦合作用的陀螺力(Coriolis)项。还应该指出,现有曲管的非线性运动方程[10]只考虑了应变一阶项,不够完善,对于柔性管路系统,计及应变高阶项的影响是十分重要的,这正如[1,2]所预测的,几何非线性的影响应该是今后输液曲管进一步研究的一个侧重点。
基于以上分析,本项目将从以下三个方面深入研究,力求将输液曲管的研究在现有工作的基础上向前推进一步。第一,着重考虑曲管的非线性弹性约束和有限变