金属橡胶包覆波纹管结构动力学特性和减振性能实验研究

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金属波纹管作为管道系统中不可或缺的位移补偿和柔性隔振部件,能有效地减少管道系统的机械振动和结构噪声。基于波纹管的形状特征,管内输送的流体会与波纹管之间产生流致振动耦合效应,从而降低管道系统运行的稳定性。在有限的空间范围内,很难通过优化波形参数(波宽、波高、壁厚和圆角半径等)来提升波纹管的各项性能,进而通常采用聚合物橡胶包覆来增强波纹管的承载能力与阻尼耗能特性。但是,橡胶材料仅在室温条件下富有弹性,其各项性能对使用温度和振动频率非常敏感,化学结构和物理性能均易产生疲劳损伤,且适用频域较小,所以应用在极端服役环境中有一定的限制。本文以金属橡胶作为阻尼耗能材料,以DN108 U型单层金属波纹管为研究对象,开发了金属橡胶包覆波纹管结构,并进行了如下的研究:1、根据金属橡胶包覆波纹管结构的需要,优化了金属橡胶包覆层的制备工艺,同时对该包覆结构进行了静力学性能测试。结果表明,金属橡胶阻尼包覆层的增加提高了波纹管轴向及角向的承载能力。2、提出了金属橡胶包覆波纹管结构在常温和高/低温环境下的耗能特性评价方法,通过物理实验发现,金属橡胶包覆波纹管结构具有非线性刚度特性;耗能特性在一定范围内随激振频率降低和振动幅值增加而增强的变化规律;在不同温度环境下该包覆结构仍具有很好的阻尼效果。3、构建了DN108 U型单层金属波纹管的三维模型,通过ANSYS对波纹管进行了刚度、模态和流固耦合分析。通过静态刚度分析与EMJA公式计算结果的比较,验证了有限元模型的合理性;模态分析得到的波纹管前3阶固有频率及各阶频率振型与波纹管动态实验结果相对应;波纹管流固耦合下动力学分析结果表明,一定流速的油介质条件下对波纹管轴向变形的影响较大,且越靠近入口处的波纹段变形幅度越大。4、分别建立了描述金属橡胶阻尼包覆结构动力学特性非线性粘弹性阻尼双折线和非线性弹性复合阻尼模型,并提出了相应的参数辨识方法。通过对比实验和仿真曲线得知,所建立的动力学模型可较好地表征金属橡胶包覆波纹管结构的非线性特性。
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