摘 要

随着我国海洋工程装备制造业的快速发展，海洋工程结构物的设计建造技术也越来越受到人们的关注。管道结构作为海洋工程结构物的重要组成部分，其结构冲击与振动控制方法的研究一直是业界关注的重点和难点问题。

本文以海洋工程管道结构冲击与振动控制为研究目标，致力于研究海洋工程管道结构中振动冲击应力波传播与衰减特性，探索应力波基础理论和层状周期结构在海洋工程管道结构冲击与振动控制中的应用。本文自主设计加工了一套适用于海洋工程结构应力波传播特性研究的实验装置，建立了层状周期管道结构中应力波传播的有限元模型，采用有限元数值模拟和实验测试相结合的方法研究了层状周期管道结构中振动冲击应力波传播特性。研究结果表明，层状周期管道结构对振动冲击应力波具有显著的衰减效果，数值模拟和实验测试结果吻合较好，验证了有限元模型的正确性。在此基础上，采用有限元数值模拟方法进一步研究了结构的材料组份比、结构形式（管厚比）、结构周期数和周期长度对应力波传播与衰减特性的影响规律。研究结果表明：周期性层状海洋工程管道结构对应力波衰减主要是由于波阻抗失配引起，并提出了波阻抗失配的表征参数“波阻抗比”，随着波阻抗比的增大，结构对应力波的衰减作用不断减小。本文的研究工作不仅揭示了层状周期管道结构应力波衰减机理，而且为周期性层状海洋工程管道结构的应用奠定了基础，同时为层状复合结构在船舶与海洋工程物抗爆抗冲击和减振降噪提供新的思路和方向。

关键词：海洋工程；层状周期管道结构；应力波衰减；冲击与振动控制；实验研究

Abstract

With the development of Chinese marine engineering equipment manufacturing industry, the design and construction technology of offshore engineering structures have attracted more and more attention. Pipeline structure is an important part of marine engineering structure, whose structural shock and vibration control method research have been the industry's focus and difficult issues.

This paper investigates the impact of marine engineering pipeline structure and vibration control. It is committed to the study of the propagation and attenuation characteristics of stress wave in marine engineering pipeline structure. This paper also explores the application of basic theory of stress wave and layered periodic structure in shock and vibration control in offshore engineering pipeline structure. In order to study the propagation characteristics of stress waves in ocean engineering, we design and process a set of experimental device, and establish a finite element model of layered periodic pipe structure. With the method of numerical simulation and experiment, propagation characteristics of stress wave in layered periodic pipe are discussed. The result shows that there is a significant attenuation effect on the vibration shock wave in layered periodic pipeline structure, and the numerical simulation is in good agreement with the experimental result. On the other side, the validity of the finite element model is verified. On this basis, the influence of the material composition ratio, the structure ratio (pipe thickness ratio), the number of structural cycles and the length of a period on the stress wave propagation and attenuation characteristics of the structure are further studied by finite element numerical simulation. The result shows that the stress-wave-attenuation of periodic layered marine engineering pipeline is mainly due to the mismatch of wave impedance, and a characteristic parameter called "wave impedance ratio" is proposed. With the increase of wave impedance ratio, the attenuation of stress wave decreases. This paper not only reveals the stress wave attenuation mechanism of layered periodic pipe structure, but also lays a foundation for the application of periodic layered ocean engineering pipeline structure. What’s more, it provides a new idea and direction for the application of layered composite structure in ship and ocean engineering anti- explosion and vibration and noise reduction.

Key Words：Marine engineering; layered periodic duct structure; stress wave attenuation; shock and vibration control; experimental study

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究现状 2

1.2.1 海洋工程管道结构冲击与振动控制研究现状 2

1.2.2 层状复合结构中应力波传播特性研究现状 4

1.2.3 研究现状分析 6

1.3 本文主要工作 7

第二章 应力波传播特性实验装置设计 8

2.1 实验装置设计理论基础 8

2.1.1 波阻抗 8

2.2.2 波在边界上的相互作用 8

2.2 应力波传播特性实验装置设计 11

2.3 应力波传播特性实验装置介绍 12

2.3.1 框架部分 13

2.3.2 摆锤部分 13

2.3.3 实验杆件 14

2.3.4 基座 15

2.3.5 应力波传播特性实验装置的加工 15

2.4 本章小结 16

第三章 层状周期管道结构中应力波传播特性研究 17

3.1 应力波传播特性实验研究 17

3.1.1实验原理 17

3.1.2实验设备 18

3.1.3实验试件 19

3.1.4应力波传播特性实验流程 20

3.1.5 应力波传播实验结果 20

3.2 应力波传播特性实验过程及结果 22

3.2.1 ABAQUS有限元软件介绍 22

3.2.2 应力波传播数值仿真与实验对比 22

3.2.3 建立计算模型 23

3.2.4 试件结构类型 23

3.2.5 网格划分 24

3.2.6求解 24

3.2.7 数值仿真结果与实验结果对比 25

3.3 本章小结 27

第四章 参数分析 28

4.1 材料组份比对应力波传播特性的影响 28

4.2 材料特性对应力波传播特性的影响 30

4.3 结构形式对应力波传播特性的影响 31

4.4 结构周期数对应力波传播特性的影响 33

4.5 周期长度对应力波传播特性的影响 34

4.6 本章小结 36

第五章 结论与展望 37

5.1 本文结论 37

5.2 后续工作与展望 37

参考文献 39

附 录 41

致 谢 42

第1章 绪论

1.1引言

21世纪是海洋开发的时代，海上领域不仅是国际交流与斗争的平台，而且还能提升一个国家自身的国际地位。以此同时，国家在第十八次全国代表大会报告中明确提出了海洋强国战略，提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国。在当前的世界格局现状和国家战略发展的需求下，发展海洋工程装备的重要性也越来越高。

近年来，随着中国海洋工程装备制造业的快速发展，海洋工程结构物的设计建造技术也越来越受到人们的关注，而海洋工程管道结构作为海洋工程结构物的重要组成部分，其可靠性和安全性也逐渐成为一个研究热点。管道结构对海洋工程结构物的影响主要体现在两个方面：一是结构物内的很多设备，如水泵、输油泵，都通过管道与其它设备相连，这种机械设备产生的振动也会沿着管路系统传到结构物的各个地方；二是存在间歇工作的泵或其它输送装置，由这种装置导致管道内流体的流速或压力突然发生变化时，管道会受到压力脉动冲击，导致管道结构的冲击与振动，从而整个管路系统极易受到破坏，影响整个海洋工程结构物的正常使用。由上可知控制管道系统冲击与振动的产生与传播至关重要，而管道结构中冲击与振动实际上是以应力波的形式传播，因此研究应力波在管道结构中的传播特性具有重要意义。