[发明专利]多跨功能梯度输流管道的设计方法和装置

说明书

本公开涉及输流管道领域，提出多跨功能梯度输流管道的设计方法，包括将多跨功能梯度输流管道划分成两个单跨功能梯度输流管道，确定其体积分数指数；根据体积分数指数建立多跨功能梯度输流管道的力学性能方程；根据欧拉梁理论和力学性能方程建立其时域运动方程；根据时域运动方程建立其频域运动方程；根据欧拉梁理论和频域运动方程建立各个单跨功能梯度输流管道的单元动刚度矩阵；将各个单元动刚度矩阵组合形成多跨功能梯度输流管道的总动刚度矩阵；根据总动刚度矩阵建立多跨功能梯度输流管道的特征方程，根据多跨功能梯度输流管道的结构参数和特征方程能够求得其振型和固有频率，改变体积分数指数能够改变其振型和固有频率。该方法简单。

技术领域

本公开涉及输流管道技术领域，具体而言，涉及一种多跨功能梯度输流管道的设计方法和多跨功能梯度输流管道的设计系统。

背景技术

输流管道使我们在各个工程领域和日常生活中都需要经常用到的重要装置，它主要用来运输液体、气体等流体。在航空航天、石油化工、机械、核电、海洋工程以及热交换装置等领域都有及其广泛的应用。在航空航天、核电、海洋工程以及石油化工等领域，输流管道还被应用于高压高速环境下，高压高速环境一般指的是管内流体压强大于21MPa，流速大于10m/s。随着输流管道内流速增大或者流体压力升高，输流管道固有频率也随之下降，当功能梯度输流管道一阶固有频率降为零时，功能梯度输流管道发生失稳，此时输流管道振动加剧，甚至破坏。当输流管道一阶频率降为零时，对应的流体流速或者流体压力，分别称为临界流速和临界压力。如何避免输流管道因管内流体流速过大、压力过高以及机体振动而产生的大幅振动，一度是工程界急需解决的重要课题。因为在这些情况下，经常出现的输流管道共振以及输流管道失稳会给系统的运作带来灾难性的破坏，同时因振动而产生的高分贝噪声也会污染生产和生活环境。

功能梯度材料是一种先进的复合材料，在功能梯度材料的制备过程中通过连续地控制各组分材料含量的分布，使得功能梯度材料的宏观力学性能在空间位置上呈现出梯度变化，从而满足构件不同部位对材料使用性能的不同要求，达到优化结构的整体使用性能的目的。参照图1所示的功能梯度材料结构示意图，以及图2所示的功能梯度材料的性能示意图。在功能梯度材料中，由于各组分材料呈现连续变化，使得在功能梯度材料内部不存在明显的界面，相应的热力学性能和物理性能也呈现梯度变化。相比于传统的复合材料，功能梯度材料具有更小的应力集中，更好的热力学性能，更高断裂韧性等。功能梯度材料的另一个重要特征是具有可设计性，通过设计组分材料的体积分数可以得到满足特定工程要求的功能梯度材料。鉴于功能梯度材料优异的物理、力学性能，其在航空航天、核能、医学等工程领域具有广泛的应用前景。

目前，虽然已有许多学者致力于研究功能梯度梁、板和壳的静态和动态力学行为，但目前关于功能梯度输流管道的研究依然十分有限。

此外，在过去的数十年中，虽然有大量的学者研究输流管道的各种动力学行为，但几乎都集中于单跨输流管道，而更贴近工程实际的任意多跨输流管道则鲜有研究。其主要原因在于经典的模态方法等只适用于形函数易于得到的模型，例如单跨输流管道或者周期性的多跨输流管道。此外，有限元法虽然适用于求解任意多跨输流管道，但在单元数目非常多时，流固耦合的计算成本也十分高昂。而且，目前的研究均致力于如何避开输流管道的固有频率，但是，对于已经成型的输流管道固有频率是无法改变的，因此对于输流管道的设置存在很大的局限性。

因此，有必要研究一种多跨功能梯度输流管道的设计方法和多跨功能梯度输流管道的设计系统。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于克服输流管道设计中固有频率是无法改变以及对多跨功能梯度输流管道的设计较为复杂的限制和缺陷，提供一种能够在设计时改变输流管管道固有频率的多跨功能梯度输流管道的设计方法和多跨功能梯度输流管道的设计系统。