复杂控制阀-流体-管道耦合系统非线性动力学及其控制

There exist many kinds of nonlinear couplings between control valve and pipe conveying fluid in industry production process control system, however, generally the control valve and the pipe conveying fluid have been dividually studied, so as to be incapable of comprehensively and correctly describing system dynamics behavior. The project will synthetically consider the control valve and the pipe conveying fluid as a coupled system by taking the coupled vibration of the control valve and the complex pipe conveying fluid system as research object. We will build the dynamics models with fluid-structure interaction, coupled motion and control for the valve-fluid-pipe coupled system and develop a transfer matrix method for solving the high-dimensional complex system dynamics model with many kinds of nonlinear couplings. Through the nonlinear dynamics analysis for the response of the coupled system and finite element simulation as well as physical experiment, we will find the effect mechanism of various coupling action on the complex dynamics behavior of the system, furthermore, explore the dynamics control policy and design criterion(of the control valve in the valve-fluid-pipe coupled system, reveal the mechanism and rule of nonlinear dynamics behavior of the complex valve-fluid-pipe coupled system. The project will provide scientific basis for solving the problems on the failure of control valve and pipeline due to intense and sustained vibration, and establish theoretical foundation for the integrative study of the control valve and pipe conveying fluid system.

工业生产过程控制系统中的控制阀与其连接的输流管道之间存在多种非线性耦合，但是一般都将控制阀与输流管道分开研究，无法全面正确描述系统动力学行为。本项目拟将控制阀与输流管道作为一个耦合系统综合考虑，以控制阀与复杂输流管道系统耦合振动问题为研究对象，建立具有流固耦合、运动耦合以及控制耦合的控制阀-流体-管道耦合系统的动力学模型，提出具有多种非线性耦合的高维复杂系统动力学模型的传递矩阵求解方法，对耦合系统的动力学响应进行非线性动力学分析，发现各种耦合作用对系统的复杂动力学行为的影响机制，通过有限元仿真试验和实际物理试验解释理论模型的分析结果，进而探索控制阀在控制阀-流体-管道耦合系统中的动力学控制策略和设计准则，揭示复杂控制阀-流体-管道耦合系统的非线性动力学行为机理和规律，为解决工程中控制阀与输流管道因强烈振动而破坏的实际问题提供科学依据，并为控制阀与输流管道系统的一体化研究奠定理论基础。

针对复杂控制阀-输流管道耦合系统非线性动力学及其控制问题，项目主要开展了以下研究工作，并取得了一些有价值的研究结果：（1）建立了工业过程控制用单座式控制阀系统的线性化动力学模型，通过仿真分析获得了控制阀阀芯-阀杆固有频率、位移以及阀杆受流体力随开度和压差变化的规律；（2）建立了考虑阀杆摩擦、流固耦合等因素的控制阀系统非线性动力学模型，通过仿真分析获得了控制阀阀芯-阀杆位移的非线性响应规律及复杂动力学行为；（3）建立了考虑流固耦合、摩擦耦合、Poisson耦合、运动耦合的平面输流管道非线性四方程模型，提出应用多体系统传递矩阵求解输流管道非线性模型的方法，采用Galerkin离散方法和时间离散方法，将输流管道非线性偏微分模型转化为传递矩阵模型进行求解，获得了输流管道在一端固定、一端简支且在定常和脉动流速下，以及两端简支且在脉动流和基础激励下的非线性动力学响应，通过相图、Poincaré映射和分岔图分析了系统由拟周期运动通向混沌的过程；（4）建立了由轴向四方程、横向八方程和扭转二方程共同组成的考虑运动耦合、摩擦耦合、流固耦合的十四方程空间输流管道模型，并采用多体传递矩阵方法求解模型，通过时间序列、相图、功率谱、Poincaré映射和分岔图，仿真分析了空间输流管道的拟周期以及混沌运动行为；（5）建立了平面控制阀-输流管道线性系统模型，采用经典传递矩阵求解模型，通过对控制阀-输流管道耦合系统振动与控制阀和输流管道单独振动的仿真对比分析，论证了控制阀-输流管道耦合系统集成建模的必要性；（6）建立了空间控制阀-输流管道非线性系统模型，采用多体系统传递矩阵方法求解模型，仿真分析了空间控制阀-输流管道非线性耦合系统的动力学响应，论证了考虑非线性的控制阀-输流管道耦合系统建模的必要性；（7）建立了复杂空间控制阀-输流管道系统有限元模型，仿真分析了系统的动态特性。