外激勵作用下輸流管道伴隨內共振的非線性振動分析

梁 峰，包日東，金 瑩，蘇 勇

（沈陽化工大學能源與動力工程學院，沈陽 110142）

外激勵作用下輸流管道伴隨內共振的非線性振動分析

梁 峰，包日東，金 瑩，蘇 勇

（沈陽化工大學能源與動力工程學院，沈陽 110142）

利用多元L－P法研究外部周期激勵下兩端固定輸流管道伴隨內共振的非線性受迫振動問題。外激勵流固耦合系統固有頻率第二階約為第一階3倍且激勵頻率接近前兩階固有頻率中間值時會發生伴隨強烈內部共振的組合共振，并用多元L－P法求解振動響應，分析前兩模態運動及外激勵幅值對內共振的影響。數值算例揭示出系統因內共振發生的更豐富、復雜的動力學行為，隨激勵幅值增大內共振發生趨勢降低，響應形式亦發生變化。用多元L－P法研究非線性動力學便捷、高效。

輸流管道；非線性振動；內共振；外周期激勵；多元L－P法

輸流管道廣泛應用于航空航天、水利工程、石油工業、農業及日常生活中，其振動穩定性問題一直被關注。（作為典型流固耦合系統，輸流管道振動失穩通常由與內部流體耦合所致。對此，利用理論、實驗方法進行的研究發現包括顫振、屈曲、參數共振、分岔及混沌等多種動力學現象［1－3］。諸多工程結構中輸流管道不僅受內流作用亦常受外部激勵作用，如橫向風載、地震載荷及支承運動時產生的激勵（該載荷通過適當變換可簡化為周期載荷）等，雖激勵幅值較小，但系統頻率關系滿足某些條件，如第二階固有頻率接近第一階的3倍，此時管道系統則會發生強烈內部共振。關于動力學系統內共振問題，Wang等［4－7］分別利用懸索、梁、板及殼模型進行研究，表明內共振不僅存在，且其對系統非線性動力學行為影響明顯。Xu等［8－9］理論上解釋內流引起管道內共振機理。Panda等［10－11］用多尺度法研究脈動內流引起具有內共振的主參數共振及組合參數共振，認為出現內共振，系統動力學行為更復雜。以上研究均未考慮外部激勵。而海洋立管、海底管道、橋梁懸跨管道等，對風、流引起的橫向振動尤其渦激振動［12－13］、端部激勵引起的參數激勵振動、考慮內流及外部激勵管道的非線性振動研究均取得較多成果。本文對內流、外部周期激勵聯合作用管道出現內共振的非線性動力學行為進行深入研究。

組合共振為工業管道常發生但得不到重視的非線性振動。由于發生條件較苛刻，且其振動形態較復雜，對其研究較少。事實上，其振動危害并不亞于主共振及其它類共振。尤其伴隨內共振發生時其振幅較大、振型較復雜，為管道振動疲勞破裂的重要原因之一。Panda等［11，14－15］曾對輸流管道組合共振進行研究，分別利用平均法、數值仿真技術研究脈動流管道組合參數共振穩定性及響應，認為在組合共振區域內亦會發生準周期、組合周期等多種運動，并證明組合共振的復雜性。以上研究只考慮內流激勵，本文在此基礎上增加外部激勵，重點研究和式組合共振（激勵頻率約為前兩階固有頻率和的一半）響應問題。本文研究所用多元L－P法已廣泛用于非線性系統的動力學特性分析。如Lau等［16－17］利用該法分析動力學系統非線性振動問題；Yang等［18］用改進的L－P法（MLP）研究參數激勵下強非線性Van der Pol-Duffing型振蕩器主共振響應；Pu?enjak［19］用拓展的L－P法（ELP）分析具有三次非線性的動力學系統非穩態振動。本文用該方法對外部周期激勵下兩端固定輸流管道伴隨內共振的組合共振響應進行研究，獲得幅－頻響應曲線，并利用增量諧波平衡法進行驗證，分析該振動的響應特性，討論外激勵幅值對內共振的影響。

1 力學模型及控制方程

圖1為外部簡諧激勵下兩端固定輸流管道力學模型。實際上無論外部周期力或支承簡諧運動，經一定變換后均可簡化為簡諧激勵。

圖1 外部激勵下輸流管道模型Fig．1 Model of a fluid-conveying pipe under external excitation

設管道軸線為x軸，管道只發生橫向面內振動y（x，t），U為管內定常流速，F為外激勵單位長度幅值，Φ為頻率。管道單元、流體單元受力可用牛頓法推導出其橫向振動控制方程［15］為

式中：EI，A1，N，L，m分別為管道彎曲剛度、管壁橫截面積、預緊力、長度及單位長度質量；M，A分別為管內流體單位長度質量及通流截面積。

式中：（ ）′，（·）分別表示?（ ）／?ξ及?（ ）／?τ。

由式（3）及研究結果［15，20－21］知，用2階Galerkin法離散管道系統精度已足夠。本文取

式中：ψi（ξ），qi（τ）（i＝1，2）為兩端固定梁前兩階特征函數及廣義坐標。

輸流管道為細長結構，其外部激勵通常非同相位（因激勵幅值較小，忽略非同相位激勵引起的波長效應），本文考慮二維激振力、模態cosφ及sinφ正交，故其相位差為π／2；設激勵幅值列陣，外部激勵F cos（Φt）通過式（2）無量綱后為［f1cosφ，f2sinφ］T，將式（4）代入式（3），用振型正交性可得二元二階常微分方程組為

2 用多元L－P法求解

為用多元L－P攝動法，令式（5）引入攝動小參數ε，變為

式中：ωn為獨立非線性響應頻率；τn為多個不同時間變量。則qn由單個時間變量τ的函數變為多個獨立時間變量τn的函數（本文n＝2）。將qn（τ1，τ2，ε）與ωn（ε）展開為ε的冪級數為

式中：ω10，ω20為系統前兩階固有頻率；ωnk（k＝1，2，…）為待定參數。

qn對無量綱時間變量τ的一、二階導數為

由式（12）得q10，q20代入式（13），消去長期項獲得可解性條件，從而獲得外激勵頻率與響應振幅之關系。

考慮外激勵頻率Ω在前兩固有頻率中間值附近及內共振，有

為消去長期項，應使B11，B12，B21，B22全部為零，但由此所得方程組會因不相容無法求解。因此設q11，q21特解為

將式（20）代入式（19），比較cosτ1，cosτ2，sinτ1，sinτ2各項系數，可得以E11，E12，E21，E22為未知量的方程組，其非零解條件為

判別式值可出現幾種根，即①若Δ＞0，有1個實根與1對共軛虛根；②Δ＝0，且P＝Q＝0，有3個零根；③Δ＝0，且P≠0，Q≠0，有3個實根，其中兩個相等；④Δ＜0，有3個不等實根?？捎蓪嵏鶄€數分析系統的內共振。

3 IHB法驗證

為驗證多元L－P法的有效性，本文用半解析、半數值法－增量諧波平衡法（Incremental Harmonic Balancemethod，IHB法）重新求解管道系統受迫振動響應。IHB法由Lau等［22］提出，并在具有三次非線性及陀螺特性等強非線性系統中廣泛應用。該法將數值分析中的增量法與傳統諧波平衡法有機結合，且對所研究系統非線性的強、弱無限制，為研究非線性振動尤其強非線性振動的有效方法。梁峰等［3］曾利用IHB法研究輸流管道系統參數共振響應，獲得精確結果。此處用該方法對多元L－P法結果進行驗證。限于篇幅，略去求解過程。

4 算例分析

結合數值算例分析輸流管道含內共振組合共振響應。算例參數［14－15］為Mr＝0．447，T＝15，u＝4．75，γ＝5 000。求得管道系統固有頻率及它系統參數值為

由于ω20≈3ω10，系統可能會發生內共振。由式（28）、（29）可得P，Q均為a10，f1，f2的復雜函數。由判別式（30）看出?acr或a10＜－acr時有Δ＞0，式（27）僅1個實根，即對給定的a10值，僅1個外激勵頻率Ω值與其對應；當時有Δ＜0，式（27）有3個不等實根，對給定的a10值，有3個外激勵頻率Ω值與其對應，系統會發生強烈內共振。acr為f1，f2的復雜函數，f1，f2越大acr值越小。取f1＝f2＝0．4進行分析，求得f10＝－3．967 39×10－4，f20＝9．356 74×10－5。而據p1，p2，f10，f20值，對式（23）、（24）數值求解比較式（16）中各諧波項幅值知，系統響應主要發生于q1的cosτ1項及q2的sinτ2項，故只分析a10及p2a20兩項幅值。

f1＝f2＝0．4時a10及p2a20隨激勵頻率Ω變化見圖2。由圖2看出，響應曲線中出現環狀，即在一定幅值范圍內1個振幅值對應3個頻率值，說明系統已發生內共振；各模態響應圖上、下兩半平面基本對稱，表明均已發生內共振；a10，a20均有兩個解，每個解橫跨上、下兩半平面；振動響應只發生在Ω＞2ω10即外激勵頻率大于2倍的第一階固有頻率區域；外激勵幅值較小時在Ω≈2ω10（Ω＞2ω10）區域附近a10及a20呈明顯內部共振特征，兩模態相互激勵，大小相互轉換。說明出現內共振過程中兩模態間已進行能量交換。圖2中利用IHB法求解響應結果驗證多元L－P法結果并對比知，二者響應振幅較小時較吻合，但隨振幅增大二者差別逐漸增大。原因為多元L－P法為攝動法，僅適合求解弱非線性振動問題，而IHB法為半解析半數值方法，對強、弱非線性振動均適用，故二者在小振幅時能吻合，振幅增大時多元L－P法結果誤差亦增大。

圖3、圖4為改變激勵幅值后兩模態響應曲線。由圖3看出，f1＝f2＝2時a10及p2a20曲線中環狀部分（發生內共振區域）明顯減??；由圖4看出，f1＝f2＝4時兩模態內共振已完全消失。說明隨激勵幅值增大acr值減小，系統內共振發生趨勢降低。激勵幅值大于某個臨界值后內共振不再發生。響應曲線形態也會隨激勵幅值增大發生變化，均體現伴隨內共振的組合共振響應特點。

圖2 f1＝f2＝0．4時幅－頻響應曲線Fig．2 Frequency-amplitude curves for f1＝f2＝0．4

圖3 f1＝f2＝2時幅－頻響應曲線Fig．3 Frequency-amplitude curves for f1＝f2＝2

圖4 f1＝f2＝4時幅－頻響應曲線Fig．4 Frequency-amp litude curves for f1＝f2＝4

由式（23）、（24）知，外激勵幅值f1，f2不都為零，則響應振幅a10不為零，a20只在某一激勵頻率Ω＝Ω1處可能為零。Ω1可由式（23）、（24）令a20＝0求得，亦為f1，f2的函數。第1模態a10的頻率為Ω／2，其振動為次諧波振動，存在于整個頻率域；第2模態a20的頻率為3Ω／2，其振動為超次諧波振動，存在于除Ω1的頻率域；在Ω＝Ω1處是否存在尚需額外條件判斷；第3模態f10的頻率為Ω，其振動為恒定振幅的基諧波振動，存在于整個頻率域。系統實際響應為3種振動的疊加。

5 結 論

本文用多元L－P法并結合數值算例對外激勵作用下兩端固定輸流管道伴隨內共振組合共振響應進行研究、分析，結論如下：

（1）對外部周期激勵的兩端固定輸流管道，當系統第二階固有頻率約為第一階的3倍且激勵頻率接近前兩階固有頻率中間值時，系統會發生含強烈內部共振的組合共振。此時前兩階模態相互激勵，振幅相互交換，致系統非線性動力學行為更豐富、復雜。

（2）外激勵幅值為影響內共振的關鍵因素。隨激勵幅值增大內共振發生趨勢降低，響應形態亦發生變化。激勵幅值超過某臨界值后內共振完全消失。管道系統受迫振動響應通常由基諧波、次諧波及超次諧波振動疊加產生。

（3）利用增量諧波平衡法對多元L－P法結果驗證發現，二者結果在小響應振幅時吻合較好，表明多元L－P法在分析多模態動力學系統（弱）非線性振動問題的有效性。

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Nonlinear vibration of a fluid-conveying pipe under external excitation accom panied with internal resonance

LIANG Feng，BAO Ri-dong，JIN Ying，SU Yong
（School of Energy and Power Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China）

An external periodic load was considered to act on a fluid-conveying pipe clamped at both ends，and the nonlinear forced vibration of such a system was explored by the multidimensional Lindstedt-Poincaré（MDLP）method．According to the analysis，when the second natural frequency of the system is nearly thrice the firstone，and the excitation frequency is nearly at the middle of first two natural frequencies，accompanied internal resonance may occur to form a combination resonance．The characteristics of the response were discussed，and the motions of first two modes were investigated in detail．The influence of excitation amplitude on the internal resonance was analyzed．Some numerical examples reveal the rich and complex dynamic behaviors caused by internal resonance and show that the occurrence tendency of internal resonance will die down and the responsemodeswill vary with the increase of excitation amplitude．The convenience and efficiency of the MDLPmethod in predicting nonlinear dynamics are demonstrated by the results of the study．

fluid-conveying pipe；nonlinear vibration；internal resonance；external periodic excitation；multidimensional Lindstedt-Poincarémethod

O326

：A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．22．026

國家自然科學基金（51275315）；遼寧省教育廳科研項目（L2013160）

2013－08－08 修改稿收到日期：2013－12－04

梁峰男，博士，講師，1979年8月生