[發明專利]多跨功能梯度輸流管道的設計方法和裝置

在審

• 申請號: 201810331796.7
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN108763628A
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 岳珠峰;劉偉;鄧家全
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京律智知識產權代理有限公司 11438
• 代理人: 闞梓瑄

本公開涉及輸流管道領域，提出多跨功能梯度輸流管道的設計方法，包括將多跨功能梯度輸流管道劃分成兩個單跨功能梯度輸流管道，確定其體積分數指數；根據體積分數指數建立多跨功能梯度輸流管道的力學性能方程；根據歐拉梁理論和力學性能方程建立其時域運動方程；根據時域運動方程建立其頻域運動方程；根據歐拉梁理論和頻域運動方程建立各個單跨功能梯度輸流管道的單元動剛度矩陣；將各個單元動剛度矩陣組合形成多跨功能梯度輸流管道的總動剛度矩陣；根據總動剛度矩陣建立多跨功能梯度輸流管道的特征方程，根據多跨功能梯度輸流管道的結構參數和特征方程能夠求得其振型和固有頻率，改變體積分數指數能夠改變其振型和固有頻率。該方法簡單。

技術領域

本公開涉及輸流管道技術領域，具體而言，涉及一種多跨功能梯度輸流管道的設計方法和多跨功能梯度輸流管道的設計系統。

背景技術

輸流管道使我們在各個工程領域和日常生活中都需要經常用到的重要裝置，它主要用來運輸液體、氣體等流體。在航空航天、石油化工、機械、核電、海洋工程以及熱交換裝置等領域都有及其廣泛的應用。在航空航天、核電、海洋工程以及石油化工等領域，輸流管道還被應用于高壓高速環境下，高壓高速環境一般指的是管內流體壓強大于21MPa，流速大于10m/s。隨著輸流管道內流速增大或者流體壓力升高，輸流管道固有頻率也隨之下降，當功能梯度輸流管道一階固有頻率降為零時，功能梯度輸流管道發生失穩，此時輸流管道振動加劇，甚至破壞。當輸流管道一階頻率降為零時，對應的流體流速或者流體壓力，分別稱為臨界流速和臨界壓力。如何避免輸流管道因管內流體流速過大、壓力過高以及機體振動而產生的大幅振動，一度是工程界急需解決的重要課題。因為在這些情況下，經常出現的輸流管道共振以及輸流管道失穩會給系統的運作帶來災難性的破壞，同時因振動而產生的高分貝噪聲也會污染生產和生活環境。

功能梯度材料是一種先進的復合材料，在功能梯度材料的制備過程中通過連續地控制各組分材料含量的分布，使得功能梯度材料的宏觀力學性能在空間位置上呈現出梯度變化，從而滿足構件不同部位對材料使用性能的不同要求，達到優化結構的整體使用性能的目的。參照圖1所示的功能梯度材料結構示意圖，以及圖2所示的功能梯度材料的性能示意圖。在功能梯度材料中，由于各組分材料呈現連續變化，使得在功能梯度材料內部不存在明顯的界面，相應的熱力學性能和物理性能也呈現梯度變化。相比于傳統的復合材料，功能梯度材料具有更小的應力集中，更好的熱力學性能，更高斷裂韌性等。功能梯度材料的另一個重要特征是具有可設計性，通過設計組分材料的體積分數可以得到滿足特定工程要求的功能梯度材料。鑒于功能梯度材料優異的物理、力學性能，其在航空航天、核能、醫學等工程領域具有廣泛的應用前景。

目前，雖然已有許多學者致力于研究功能梯度梁、板和殼的靜態和動態力學行為，但目前關于功能梯度輸流管道的研究依然十分有限。

此外，在過去的數十年中，雖然有大量的學者研究輸流管道的各種動力學行為，但幾乎都集中于單跨輸流管道，而更貼近工程實際的任意多跨輸流管道則鮮有研究。其主要原因在于經典的模態方法等只適用于形函數易于得到的模型，例如單跨輸流管道或者周期性的多跨輸流管道。此外，有限元法雖然適用于求解任意多跨輸流管道，但在單元數目非常多時，流固耦合的計算成本也十分高昂。而且，目前的研究均致力于如何避開輸流管道的固有頻率，但是，對于已經成型的輸流管道固有頻率是無法改變的，因此對于輸流管道的設置存在很大的局限性。

因此，有必要研究一種多跨功能梯度輸流管道的設計方法和多跨功能梯度輸流管道的設計系統。

需要說明的是，在上述背景技術部分公開的信息僅用于加強對本公開的背景的理解，因此可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

發明內容

本公開的目的在于克服輸流管道設計中固有頻率是無法改變以及對多跨功能梯度輸流管道的設計較為復雜的限制和缺陷，提供一種能夠在設計時改變輸流管管道固有頻率的多跨功能梯度輸流管道的設計方法和多跨功能梯度輸流管道的設計系統。