结构不连续输流管道振动波传播机理与失效分析

管壁接头及结构不连续部件是管路隔振的重要途径，同时也是管道系统振动破损的薄弱环节，对结构不连续输流管道的振动波传播特性及失效进行分析具有重要意义。本项目在管路流体截面保持不变情况下，以带法兰、接头、壁厚突变及管道隔振器等管段的输流管道为研究对象，考虑流体流速，基于波传播结合能量流方法，对结构不连续输流管道的振动波传播机理与破坏特性进行理论和实验研究。首先建立典型结构不连续管段的耦合动力模型，利用结构的力平衡及位移（速度）连续条件以及流体的积分连续条件，建立系统波动方程。然后从能量的角度研究振动波的传播特性，通过对能量流矢量的三维可视化研究，揭示振动波在不连续结构界面的传播机理，并用实验对理论验证。最后通过有限元计算，研究基于能量流的结构参数和流体流速改变的模型振动特性与失效模式。本研究为掌握输流管道的振动噪声传播机理、准确评估其安全性和可靠性以及隔振控制提供新的理论依据。

输流管道广泛用于石化、供水和能源等部门，管道的振动、噪声和疲劳失效是极其严重的问题。管壁接头及结构不连续部件是管路隔振的重要途径，同时也是管道系统振动破损的薄弱环节。本项目以带法兰、接头、壁厚突变及管道隔振器等不连续管段的输流管道为对象，基于波传播结合能量流方法，对输流管道的振动波传播机理和破坏特性进行理论和实验研究。建立结构不连续输流管道流固耦合分析模型，得到振动波传播与能量流之间的物理关系，发现入射波频率、不连续构件的结构参数和边界条件等对振动波传播有较大影响；得到管道轴对称振动时s=1流体波和s=2壳体波的波数表达式。发现波传播与衰减显著随频率变化，对于流体波，管壁的存在使自由场波速大幅降低，而对于壳体波，管道和内部流体对其波速影响均不大；基于统计能量分析（SEA）原理，结合结构不连续输流管道系统的实际结构尺寸建立了SEA模型；对埋地管道这样一个典型的土-管-液三相耦合问题，将管道周围土壤做弹性体考虑，对弹性介质中充液管道的声传播特性进行了解析研究。推导了低频域周向波数n=0的轴对称管道振动耦合方程，通过数值方法分别得到了流体波(s=1)和壳体压缩波(s=2)的复波数解。结果显示，管外土介质会使管道流体波波数减少(也即加快波的传播速度)，而对壳体压缩波的传播影响较小。由于管-土作用产生的能量辐射，在整个研究频段s=1波和s=2波都有较大的衰减；在考虑振动能量的基础上，提出了一种速度测量方法。可以根据结构振动速度和应变的关系进行管道状态的测量，单元体内的应变大致和结构材料内的膨胀（声）速度成比例，因此可以通过速度测量得到结构应变。本项目超额完成了研究计划，取得了一系列有特色的创新性成果。研究为掌握输流管道的振动噪声传播机理、准确评估其安全性和可靠性以及隔振控制提供新的理论依据。