劉紅梅

(襄樊學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 湖北 襄樊 441053)

載流管道傳播能量流研究

劉紅梅

(襄樊學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 湖北 襄樊 441053)

研究基于主動(dòng)力方式的充液圓柱殼結(jié)構(gòu)傳播功率流分析，比較進(jìn)行主動(dòng)控制前后傳播能量流的性質(zhì). 振動(dòng)能量流在外力作用點(diǎn)處輸入到耦合系統(tǒng)以后，會(huì)隨著振動(dòng)波沿著殼體軸向傳播. 輸入的能量流有一半沿正向傳播、而另一半則沿反向傳播. 用各內(nèi)力傳播的功率流除以殼體中總的能量流，即可獲得各內(nèi)力所傳播的能量流之間的相對(duì)值，從而確定振動(dòng)波的性質(zhì)是以彎曲波或拉伸波還是以扭轉(zhuǎn)波為主.

載流管道；傳播能量流; 主動(dòng)控制

載流管道系統(tǒng)在電力、石油、石化工業(yè)的各類工業(yè)裝置、艦船、飛行器以及日常生活中廣泛應(yīng)用. 管系中存在液體的壓力脈動(dòng)和管壁的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，造成振動(dòng)噪聲環(huán)境污染，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管系或機(jī)器損壞. 結(jié)構(gòu)振動(dòng)功率流是研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)行減振降噪的有效方法. 對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)功率流沿軸向傳播進(jìn)行研究分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 圓柱殼在主控控制力(主動(dòng)力為周向線力)作用前后的能量流傳播過(guò)程

1.1 理論推導(dǎo)

圖1 圓柱殼控制力

振動(dòng)能量流在外力作用點(diǎn)處輸入到耦合系統(tǒng)以后，會(huì)隨著振動(dòng)波沿著殼體軸向傳播. 依據(jù)對(duì)稱性，輸入的能量流有一半沿正向傳播、而另一半則沿反向傳播，即能量流在x=L處的特性與它在x=－L處的特性一致.

沿著波傳播的方向，任一截面x都有四個(gè)內(nèi)力，即軸向力Nx、有效周向剪力Tx、有效徑向剪力Sx和彎矩Mx，它們的表達(dá)式為：

式中 D = Eh /(1 ?μ2)

與截面內(nèi)力相對(duì)應(yīng)的位移速度，分別是i uω 、i vω、iω w、iω?w/?x，由上面推導(dǎo)知這些內(nèi)力所傳播的能量流分別為：其中：上標(biāo)“*”表示復(fù)共軛，并且Pnx代表縱向拉伸波、Ptx代表周向扭轉(zhuǎn)波， Psx+Pmx代表徑向彎曲波. 殼體中總的能量流為：Pto= Pnx+ Ptx+ Psx+ Pmx. 用各內(nèi)力傳播的功率流除以殼體中總的能量流，即可獲得各內(nèi)力所傳播的能量流之間的相對(duì)值，從而確定振動(dòng)波的性質(zhì)，是以彎曲波、拉伸波、還是以扭轉(zhuǎn)波為主.

1.2 設(shè)置參數(shù)

參數(shù)選?。簭椥阅Ａ?E= 2.0× 1011N/m2，泊松比μ=0.3，殼體密度 ρs= 7800 kg/m3，水密度為，,，殼體半徑R=1m，周向模態(tài)n=1，殼厚 h/ R =0.05

1.3 基于matlab編程的運(yùn)行仿真圖形

圖2 充水圓柱殼中各殼體內(nèi)力傳播的能量流隨距離的變化(左圖為控制前，右圖為控制后)

圖3 充水圓柱殼傳播能量流控制(左圖為控制前, 右圖為控制后)

2 結(jié)論

當(dāng)不考慮流速時(shí)從圖2可以看出，當(dāng)n=0時(shí)，在低頻時(shí)，主要以 Pnx(Pnx→ 1)為主，即此時(shí)殼體運(yùn)動(dòng)近似表現(xiàn)為純拉伸波. 隨著距離的變化可以看出：由于波的周期性，在波長(zhǎng)的半個(gè)整數(shù)倍的位置純拉伸波基本上轉(zhuǎn)化成彎曲波，過(guò)了這個(gè)位置又繼續(xù)以拉伸波為主. 這進(jìn)一步證明了振動(dòng)波的周期性. 通過(guò)比較圖2兩圖可以看出控制前后各個(gè)內(nèi)力的比例變化趨勢(shì)基本相同，只是在波型改變位置有稍微差別，這是因?yàn)榧又鲃?dòng)力后，兩個(gè)力產(chǎn)生的振動(dòng)波會(huì)疊加，從而波長(zhǎng)的半個(gè)整數(shù)倍位置也有所改變. 從圖3還可以看出在n = 0,o migal = 0.3時(shí)在整個(gè)固液耦合系統(tǒng)振動(dòng)主要以流體為主. 據(jù)此也可以采取不同的減振降噪措施.

[1] 何朝暉, 廖林清. 結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制的基本理論及應(yīng)用[J]. 重慶工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報(bào), 1996, 10(4): 20-29.

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[3] 金全洲, 李天勻, 趙 耀, 等. 圓柱殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)功率流和主動(dòng)力幅值的控制研究[J]. 船舶力學(xué), 2009, 13(2): 17-20.

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Propagation Power Flow in A Fluid-Filled Shell

LIU Hong-mei
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China)

The active control method of propagation power flow of the hollow cylindrical shells is investigated in this paper, then it compares the natures of the propagation power flow before and after the active control. When the vibration flow was input to the coupled system at the external force point, the vibration flow will transmit in the shell axial direction. The half of the input flow transmits along forward direction, the other half transmits along the opposite direction. The total power flow was divided by the propagation power flow caused by each internal force, then the relative value of the propagation power flow can be gotten. So we can make sure of the properties of vibration wave: flexural wave, tensile wave or torsional wave?

Fluid-Filled shell; Propagation power flow; Active control

TE973.6

A

1009-2854(2010)05-0055-03

2010-03-15

劉紅梅(1983— ), 女, 湖北襄樊人, 襄樊學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院助教.

徐 杰)