热环境中fgm输流管道振动问题的辛方法.pdf

1 绪论 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 输流管道 （Pipe Conveying Fluid ）是一种重要的工程结构，作为一种物流传输方式， 在现代工业、农业发展以及人民的日常生活中起到了重要的作用，被广泛的应用于城市供 水排水、机械化工、水利电力、消防安全、航空航天、海洋工程以及核电工业等诸多领域 [1-2] 。工程应用中，由于输流管道系统自身结构或是受到外界环境的影响，管道事故频有 发生，因此对输流管道各方面的研究得到广泛关注和研究。输流管道系统的振动问题被称 为“典型的动力学问题” （A Model Dynamical Problem ），原因是它的物理模型简单明了， 数学方程描述形式简洁，特别是管道具有易于设计制造的特点，这给理论研究与实验研究 [3] 的协同发展提供了便利 。不仅如此，输流管道模型还蕴含着极为丰富的力学现象，即使 对于简单的梁式输流直管的线性振动模型，它也蕴含着复杂的动力学内容。正因如此，研 究输流管道的动力学特性问题，有着十分重要的工程实际意义，已经成为学术界的热点研 究问题。 为满足某些情形下对材料的特殊功能和较高可靠性要求，将功能梯度材料应用于输流 管道系统中，不仅可以满足管道运输特殊流体的需要，同时满足环境对管道材料的要求， [4] 也可以调整管道系统的结构参数，控制管道固有频率，进而达到减振的效果 ，对管道的 稳定性起了很好的提高作用 ，也增加了管道运输行业的安全性 。功能梯度材料 （Functionally Graded Materials ，简称 FGMS ）是上世纪八十年代中后期由日本科学家新 [4] 野正之、平井敏雄和渡边龙三 在研究、设计高温热阻材料时首次提出的，这一概念的基 本思想是 在功能梯度材料的制备过程中，结构两侧由不同性能的材料组成，用来对付苛 刻的使用环境；但这两种材料并不直接相连，而是在它们之间形成一个在成分、组织以及 性能上呈连续梯度变化的过渡区域，材料的宏观特性 （如弹性模量、热膨胀系数等）在空 间位置上也呈现梯度变化。这种以连续的组分梯度来代替突变的界面，消除了物理性能的 突变，克服了一般常规材料的基体和增强材料之间存在明显的物理性能不连续的界面，而 在结构承受较高水平的机械或温度载荷时，通常会在界面上由于应力集中和材料缺陷而引 起脱层破坏或萌发裂纹的缺陷，改善构件的热机特征；同时功能梯度材料的组成和结构在 每一处都是有控制地连续改变的。一种典型的常用作防热结构的陶瓷/金属功能梯度材料 如图 1-1 所示，在承受高温的表面，设计和配置耐高温陶瓷；另一侧表面设计采用导热性 和强韧性良好的金属；而在两个表面之间。采用先进的材料复合技术，通过控制金属和陶 瓷的相对组成以及组织结构，使其无界面地、连续地变化，就得到一种呈梯度变化的材料。 从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，强度逐渐升高，在材料中部热应力达到最 大值，从而实现热应力缓和。另一方面，由于结合部位的宏观界面消失，也就避免了金属 和陶瓷中间因物理和力学性能的巨大差异所造成的界面应力。功能梯度材料属于在高温下 1 万方数据 西安理工大学硕士学位论文 图 1-1 功能梯度材料 [4] Fig.1-1 Functional Graded Mate