论文标题：Reduced-order modeling and vibration transfer analysis of a fluid-delivering branch pipeline that consider fluid–solid interactions

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Wenhao JI, Hongwei MA , Wei SUN, Yinhang CAO

发表时间：15 Apr 2024

DOI：10.1007/s11465-024-0781-7

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东北大学孙伟研究团队在《Frontiers of Mechanical Engineering》2024年19卷第2期发表了题为“Reduced-order modeling and vibration transfer analysis of a fluid-delivering branch pipeline that consider fluid–solid interactions”的研究论文。文章提出了一种适用于流体输送分支管道（FDBP）的动力学减缩建模方法（ATMM-FEM），旨在高效分析流固耦合效应及振动传递特性。

该方法结合有限元法（FEM）和吸收传递矩阵法（ATMM），通过双域动态子结构技术对FDBP进行降阶建模，并利用ATMM降低流体扰动求解的矩阵阶数，显著提升了计算效率。研究以H型分支管道为对象，通过模态测试和应力响应实验验证了模型的准确性，实验与仿真结果的最大频率偏差为7.3%，应力响应偏差为9.98%，表明了该方法的合理性。

研究进一步分析了FDBP的瞬态和稳态振动传递机制。瞬态振动表现为动能、应变能和阻尼能的周期性转换，其周期为激励周期的一半，主传递路径（悬臂直管段）呈现单向或双向能量传递，而两端固定分支管段因能量耗散多表现为自传递。稳态振动传递则与模态形状密切相关，振动能量集中于模态位移极值区。此外，研究发现分支位置的变化会引发多阶模态交换现象，尤其在频率转向区域，模态交换导致振动传递模式（如单向、双向、循环传递）发生转变。例如，分支靠近悬臂端时，管道刚度增强，高阶模态频率显著变化，且振动传递路径表现为循环模式。

参数分析结果表明，分支位置通过改变管道约束条件影响振动能量分布，主路径的能量变化率随分支位置向悬臂端移动而降低。同时，亚临界流体速度与压力会改变振动传递方向，降低系统固有频率并增强阻尼效应，但能量转换关系保持稳定。研究揭示了振动传递的本质是能量的存储与释放，为管道系统振动抑制和缺陷检测提供了理论支持。文章提出的建模方法及振动传递分析框架，为复杂管道系统的动态特性优化和工程应用提供了重要参考。

关键词

流体输送分支管道；振动传递分析；降阶建模；流-固相互作用；有限元法；吸收传递矩阵法

引用

Wenhao JI（季文豪）, Hongwei MA（马宏伟）, Wei SUN（孙伟）, Yinhang CAO（曹银行）. Reduced-order modeling and vibration transfer analysis of a fluid-delivering branch pipeline that consider fluid–solid interactions. Front. Mech. Eng., 2024, 19(2): 10

https://doi.org/10.1007/s11465-024-0781-7

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