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ANCF在输液管动力学分析中的应用

ANCF；输流直管；微弯输流管；圆弧形输流曲管；静变形；颤振；混沌

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 多场耦合模拟

在较高流速下，输流管道可出现失稳并发生复杂的非线性动力学行为。在以往的研究报道中，通常采用Galerkin法或传统有限元法来计算输流管道的稳定性和动力学响应。本文基于绝对节点坐标法（ANCF）以及含非材料体系统的扩展的Lagrange方程，采用一维二节点直（曲）梁单元来建立输流管道系统的动力学方程。ANCF单元的主要优势有两点：一是可同时考虑大变形和小应变状态下的弯曲变形和轴向变形；二是借助Lagrange方程推导得出的动力学方程组为常微分方程形式，可直接进行数值求解。为了展示ANCF在输流管道动力学分析中的应用，考虑三种不同初始构型的输流管结构：直管、微弯管以及圆弧形曲管。两端支撑输流直管的计算结果表明，ANCF得到的屈曲失稳临界流速和屈曲位移均与文献结果吻合很好；对于悬臂直管，当流速较大时，ANCF计算的结果显示管道可能出现混沌运动，这种混沌现象在以往的理论分析和实验测试中尚未被发现。悬臂微弯管的计算结果显示：当流速低于临界值时，管道将出现静态变形；在某些初始微弯构型下，该静态变形将随流速的增大而先增大、后减小；当流速超过临界值时，管道将在静平衡位置附近发生颤振。两端支撑圆弧形曲管的ANCF计算结果显示，通过引入附加稳态轴力，本文得到的主要结论与文献结果是一致的，即：无论流速有多高，两端支撑的圆弧形曲管不会出现屈曲或颤振失稳。