裂纹损伤管道振动功率流特性的实验研究.pdf
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1、第 3 7 卷第 5期 2 0 0 8年 9月 石油化工设备 P ETR( ) - CHEMI CAI EQUI P MENT V0I 37 NO 5 Se pt 2 0 08 , +“+”+”+“ +”+ 、 : 试验研究: + + + + + +- 文 章编 号 :i 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 0 8) 0 5 0 0 0 1 0 5 裂纹损伤管道振动功率流特性的实验研究 朱 翔 ,李天匀 ,赵 耀 ,金全洲 ,刘志忠 ( 华 中科技大学 船舶与海洋工程学院 ,湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘 要 :设 计 了无限长 裂纹损伤 管道 的 实验模 型和 装 置 , 分 别
2、对 无损 伤 管道 和含 有 环 向裂 纹损 伤 管 道 的输入 功率流进 行 了测 量 , 并 与理 论 计 算值 进 行 了对 比。结 果表 明 , 对 于无损 伤 管道 和 损 伤 管 道 , 输入 功率流 的 实验测 量 结果和理论 值均 吻合较 好 。 实验 研 究验 证 了理 论模 型 和 分析 结果 的 正 确性 , 为用振动 功率 流方法识 别管道 结构 中的裂 纹损伤提 供 了理论基 础 。 关键词 :管道 ; 裂纹;振动功率流;实验研究 中图分 类号 :0 3 2 9 文献标 志码 :A Ex p e r i me n t a l I n v e s t i g a t i
3、 o n o n t h e Cr a c k e d Pi p e s Vi b r a t i o n a l Po we r Fl o w Cha r a c t e r i s t i c s ZHU Xi a n g ,LI T i a n y u n,Z HAO Ya o ,J I N Qu a n z h o u,LI U Z h i - z h o n g ( Sc ho o l of Na v a l Ar c hi t e c t u r e a nd Oc e a n En gi n e e r i ng, H u a z ho n g Uni v e r s i t y
4、 o f Sc i e nc e a nd Te c hn ol og y, W u ha n 43 00 7 4, Ch i n a ) Ab s t r a c t :Th e e x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n t h e c r a c k e d p i p e S v i b r a t i o n p o we r f l o w c h a r a c t e r i s t i c s wa s i mpl e me n t e d Th e e x p e r i me n t mod e l a nd s e t u p
5、of i nf i ni t e c r a c k e d pi p e we r e d e s i g ne d, a n d t he i np ut p o we r f l o ws o f p e r f e c t p i p e a n d d a ma g e d pi p e wi t h c i r c u m f e r e nt i a l c r a c k we r e me a s ur e d Th e e x pe r i me n t a l r e s ul t s we r e c o m p a r e d wi t h t h e o r e t
6、 i c a l r e s u l t s, whi c h s ho we d t h a t f o r b o t h p e r f e e t p i pe a nd d a ma ge d p i p e t he e x pe r i me n t a l r e s u l t s s ho we d a go o d a g r e e me n t wi t h t he t he o r e t i c a l r e s u l t s The e x p e r i me n t a l r e s e a r c he s v e r i f i e d t h
7、e a c c ur a c y o f t h e t he or e t i c a l mod e l a n d r e s ul t s, whi c h pr ov i d e s t h e b a s i s f or t h e da m a ge d e t e c t i o n by u s i ng t he v i br a t i o n a l p o we r f l o w me t h o d Ke y wo r d s :p i p e ;c r a c k;v i b r a t i o n a l p o we r f l o w;e x p e r
8、 i me n t a l i n v e s t i g a t i o n 管道广泛 用于 石 油和 天 然气 运输 、 化工 以及其 它工业 领域 。在设 计载 荷 和 外界 环 境 的作 用下 , 裂 纹损伤往往会在管道 中出现, 使得结构的安全性受 到威胁 , 严重时可威胁到人的生命。国内外学者对 各种 裂纹损伤 形式 的管 道结构 进行 了大量 的静态 实 验研究 , 以考察结 构 的强度及 稳定 性 1 , 而有关 裂 纹损伤 管道振 动特性 的实验研 究则 相对较 少 。 笔者 在文献 4 , 5 的基础 上 , 进 一步对 无限长裂 纹损伤 管道 结 构 的振 动 功 率 流
9、特 性 进 行 了 实验 研 究 。提 出 了裂纹 管道振 动功率 流的测 量分 析系统与 实验方法, 通过实验测量管道在损伤前后的输入功 率流。并将实验结果与文献E s 中的理论计算结果 进行 了 比较 , 验证 了理 论模 型 和 分 析结 果 的有 效性 与正确 性 。 收稿 日期 :2 0 0 8 0 4 0 2 基金项 目:国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 3 7 5 0 5 9 ) ; 华 中科技 大学校研基金资助项 目 作者简介 :朱翔( 1 9 8 0 一 ) , 男 , 湖北 十堰人 , 讲 师, 博士, 主要从事结构损伤识别 、 结构振动噪声等方面的研究。 维普资讯
10、http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 石油化工设备 2 0 0 8年第 3 7卷 1 实验模型及装置 1 1 模型结构及尺寸 实验用模 型管 道采用 UP VC管材 , 其 结 构 尺寸 如下 : 管道 长 4 0 0 0 mi l l , 厚 5 mm, 外径 2 0 0 I T l l T I 。实 验前分别在模型管道的两端使用游标卡尺沿圆周以 2 2 5 。 间隔 进行 了 内、 外 径 测 量 , 同 时 在 其 中 间 以 同 样 方法 对外径 进行 了测量 。分 别在 两端 同样沿 圆周 以 2 2 5 。 间隔 1 6 个 点测 量 壁
11、 厚 , 并分 别 取 平 均值 与 标准值进行 比较 , 其中测量得到的外径最大值和最 小值 与标准 值 之 间 的误 差 均 为 0 5 , 厚 度 误 差 为 0 4 9 6 。因此 , 模 型管道 的几何 尺 寸的误 差可 以忽 略 不计 。 由于在管道内壁上加工损伤的难度较大 , 因此 , 本次 实验在模 型管道 的外壁 上进行 损伤 加工 以模 拟 环 向裂纹 。管道 外壁 上环 向裂纹 损伤 的切 口深度 取 1 5 mm, 并且 沿着 整 个 环 向均匀 切 割 , 即损 伤 深 度 与管 壁厚度 之 比为 0 3 。损伤 加 工位 置 距 离管 道 某 一端 为 2 3 m,
12、 则 和 管 道 对 称 横 截 面 的 距 离 为 0 3 m, 通过 调整 激 振 点 的位 置 即 可 改 变损 伤 的 相 对位 置 。损伤 加工示 意 图见 图 1 。 实验 中对 结构 采 取 单 点 激 励 , 激 振 点 位 于 图 1 所示的壳体对称面上, 施加沿径 向的激励 。在实验 前 对材 料参 数 进 行 了测 量 并 在 理 论 计 算 中加 以考 虑 。测量 得 到 的 管 子 材 料 的 弹性 模 量 E一3 4 8 1 O 。P a , 泊松 比 : : = 0 3 6 , 密度 p l 7 9 5 5 k g m。 , 损 耗 因子 刀 :0 0 7 。 图
13、 1模 型 损 伤 加工 不 图 1 2实验装置 用 2根直 径 5 mm 的 钢 丝 在 距 模 型 管 道 两 端 0 5 m的位置将 模 型管 道 吊起 。这 样 吊起 后 的 圆柱 壳 可 以认 为是处 于 自由状 态 。吊起 的模 型 管道是 一 全 自由壳 , 为了使模型管道能够模拟一无限长管道 , 根 据 以往的实 验及 工 程经 验 , 在模 型 管 道 端部 采 取 以下措施 以减少 端部 对管 壁 中振 动 波的反 射 。 在 实际模型中, 加工 2个中间开圆孔 的木箱 , 将模型管 道两端 分别插 入木 箱的开 孔 中 , 在木 箱 中装 满 干沙 , 使模型管道 中的振
14、动波在此被吸收。在模型管道 两端的内壁上粘贴长 0 4 m、 厚 3 mm 的橡胶层以 吸收 振动 能量 。 模 型管 道环 向表 面裂纹 的局 部放 大见 图 2 。 图 2 模型管道 环向损伤局部 放大图 2 实验测试 系统及其分析 为 了得 到 较 为可 信 的输 入 功率 流 , 在 对 管 道输 入 功率 流进行 了相关 的测 量之 前对 系统进 行 了相关 的测试分 析 , 考察 实验 装 置 和测 量 设 置 的 正确 性 和 可靠性 。在本次实验中主要考察了系统相干函数和 圆柱壳 端部 的影 响等 。 2 1 实验测量系统 实验测量流程见图 3 。实验过程采用的测量仪 器 为丹
15、 麦 B &K1 0 2 7 信 号发 生器 、 B K2 7 1 2功 率 放 大 器 、 扬 州 科 动 的 K D J 一 5激 振 器 、 KD 3 0 0 1 A 阻抗 头 、 KD 1 0 0 5 E加 速 度传感 器 以 及 Y E5 8 5 3电荷 放 大 器 , 数 据采集 采用 UT E KL振动 测试分 析 系统 。 图 3测量系统流程图 2 2 系统相干函数 相干函数 的主要用途是检验 2个信号之间最终 的线性 关系 , 它反 映 了系统测 量质 量 的好 坏 ( 噪声 大 小 、 泄漏 程度 等 ) 或所 给模 型 的正确 性嘲 。对 于本 实 验所测量 的阻抗头上力
16、通道与加 速度通道信号, 其 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 期 朱翔 等 : 裂纹损伤管道振动功率 流特性 的实验研究 相干 函数 表达式 为 : , G F ( ) I 1 1 , 一 GF F ( ) G ( ) 式 中, G ( ) 为激 励 点 力信 号 与 加速 度信 号 的互 功 率谱 的多次测量 平均值 , G ( ) 和 G ( 6 0 ) 则 分 别 为 力信号 和加速度 信号 的 自功 率谱 的均 值 。 对 于线性 系统 , 在 无测量 误差 的理想条 件下 , 相 干 函数 为 1 。 在 随机 白噪声 信
17、号 激 励下 , 测 得 系统激 励 点 处 力信号 与加速 度信号 的相 干 函数见 图 4 。测 量 中的 采样频 率 为 2 5 6 0 0 Hz , 分析 频 率 1 0 0 0 0 Hz , 周期 采样 点数 为 1 0 2 4 , 频 率分辨率 为 2 5 Hz 。从 图 4可 见 , 在 6 0 0 0 Hz以下 的绝 大多数频 段 内相干 函数 的 值都 接 近 1 , 这 表 明 系统 的测 量 质 量 较 好 噪声 较 小 。低频下 的相干特 性较差 可能是 由于加 速度传 感 器 和力传感 器在 低 频时 特 性 变坏 引起 的 , 6 0 0 0 Hz 以上 的频段 已
18、经 超过 了 加速 度传 感 器 的上 限 频 率 , 其测量结 果是不可 信 的。 1 I O 0 8 籁 0 6 闼 0 4 O 2 O 2 o o o 4 o o o 6 o oo 8 o o o l o o oo f Hz 图 4系统相干函数 2 3 用互相关分析讨论端部影响 为判 断 实 验 中模 型管 道 能 否模 拟 一 无 限长 管 道 , 用 外激励 力和结 构某 一 点 响应 的互 相 关 函数 来 讨论 模型管道 端部对 振动波 的反射作 用 。在 相关 函 数 的峰值 出现 以后 , 如 果 曲线 大体 呈 稳定 的 衰减 趋 势 , 就 可 以认 为边 界的 反射 比
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- 关 键 词:
- 裂纹 损伤 管道 振动 功率 特性 实验 研究
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