式，λ_为预测的管 壁的弯曲波最小波长。为了取得更好的计算效果，传递矩阵单元体的特征长度为：
时为最佳。
[0043] 当已知预测的上限频率时，则采用上限频率方法，根据所述管路系统预测的上限 频率计算传递矩阵单元体的最大特征长度的计算方法为：
[0045] 其中，Lniax表示组合后的单元体的最大特征长度，C表示比例系数，
表示一个与管壁杨氏模量（E)，管路内径（R1),管路外径（R。)，管内流体 密度（Pf)和管壁密度（Pp)相关的计算式，s_表示可以预测的上限频率。为了取得更好 的计算效果，传递矩阵单元体的特征长度为：
时为最佳。
[0046] 以重组优化后的传递矩阵单元体为计算对象，可快速地建立管路系统的流固耦合 动力学问题的预测模型，通过划分单元体分段计算的技术，能够消除管路系统流固耦合动 力学问题数值溢出和预测结果不稳定问题，预测过程简便，非常有利于编程计算，并且预测 精度高。
[0047] 步骤四、结合管路系统边界处流体已知条件和结构已知条件组成边界条件矩阵和 外部激励列向量，利用传递矩阵方法，预测管路系统任意位置的流固耦合动力学特性。其具 体方法为：
[0048] 对于任意的管路系统，其任意考察位置的状态向量的预测方法为：
[0050] 其中，表示在管路系统中选取的任意考察位置的状态向量，U aA表示从任意考 察位置所在的单元体的始端到考察位置的传递矩阵，Utq表示提取矩阵，其作用是将考察位 置所在单元体的始端的状态矩阵从管路系统的整体传递矩阵中提取出来，D表示由流体已 知条件和结构已知条件组成的边界条件矩阵，U tt表示由各单元体共同组成的整体传递矩 阵，[]1表示矩阵的逆阵，Fm1表示管路系统的外部激励列向量。
[0051] 特别地，当管路系统由单个单元体组成时，计算管路系统任意位置的状态向量的 方法为：
[0053] 其中，N = 2,3,4,5,6,7……，式中，表示在管路系统中选取的任意考察位置 的状态向量，Onxn表示NXN维的零矩阵，IΝΧΝ表示NXN维的单位矩阵，D ΝΧ3Ν表示NX 3Ν维 的边界条件矩阵，UInxn表示从管路始端到考察位置的NXN维的传递矩阵，U2 ΝΧΝ表示从考 察位置到管路末端的ΝΧ3Ν维传递矩阵，[]1表示矩阵的逆阵，F 3nxn表示3ΝΧΝ维的激励 列向量，N表示用于描述管路系统流固耦合振动的变量数，其值为大于等于2的自然数。
[0054] 最后，利用数字信号处理技术和MATLAB程序，对计算结果进行后处理并绘制管路 系统流固耦合动力学响应曲线，实现大型复杂管路系统的流固耦合动力学特性的高精度可 视化预测。
[0055] 本发明所涉及的预测技术通过管路系统预测的管壁弯曲波最小波长或者预测的 上限频率计算传递矩阵单元体的特征长度范围，其在保证了预测精度的同时，降低计算量， 使得本发明的管路系统的流固耦合动力学特性预测方法更为简单、可以实现程式化建模、 具有预测精度高和速度快等显著特点。
[0056] 下面通过具体的实施例来说明本发明管路系统的流固耦合动力学特性预测方法 与现有技术的技术优势。
[0057] 实施例1 :
[0058] 如图2所示，一根两端自由的充水长管路，管路系统的特性参数如表1所示，在管 道B端施加沿y方向的单位激励。
[0059] 表1管路结构及内部流体的特性参数
[0060]
[0061] 如果将管路作为一根直管整体计算（即一个单元体），计算得到的B端的流固耦合 响应曲线如图3所示，在255Hz以后，管道横向振动响应结果开始变得不稳定。
[0062] 图3出现不稳定现象是由于计算单元体的特征长度超出公式（1)或公式（2)所规 定的最大特征长度，根据图3,如果将分析频率范围设定为O-lOOOHz，则对应的分析的上限 频率为1000Hz，根据公式（2)，需要将图2中的管路分成AC和BC两个单元体进行分段计算， 利用本发明计算得到的B端的流固耦合响应曲线如图4所示，与图3相比，通过本发明计算 得到的图4在高频段的计算精度明显提高，说明依据上限频率方法中公式（2)确定的最大 特征长度，将管路通过分段计算的方式消除流固耦合振动不稳定的问题是有效可行的。
[0063] 实施例2 :
[0064] 本例以图5所示的复杂空间管路系统为实施对象，该管路结构材料的基本参数 为：弹性模量为200GPa，泊淞比为0. 3,密度7800kg/m3。各边界端固支约束，各弹性支撑垂 向（X方向）悬吊，刚度均为6. 78X 103N/m。图中1为DN100的闸阀，2为DN100的截止阀， 3为DN65的闸阀，4为DN65的截止阀。N 2、队三处均连接有六自由度的弹簧，各向刚度 为I X IO9NAi(近似固支边界条件），N4处连接有三个自由度的线性弹簧，各向弹簧刚度为 8X10 6N/m，管路系统预测的管壁弯曲波最小波长为17m。
[0065] 在分支点处施加激励，任意选取管路上的A、B、C三点作为的振动响应考察点，首 先采用本发明最小波长方法中的公式（1)计算传递矩阵单元体的特征长度，然后根据计算 的特征长度划分单元体并预测考察点的振动响应，预测如图6、图7和图8所示，新发明的预 测方法求解复杂管路系统的振动响应与有限元方法（FEM)仿真计算结果吻合良好，说明了 利用最小波长方法确定的最大特征长度，将管路通过分段计算的方式能够避免流固耦合振 动预测不稳定的问题，同时也进一步验证了本发明在复杂空间管路系统流固耦合动力学预 测的适用性。
[0066] 通过本发明在以上例子的实施结果可以看出，本发明可用于大型复杂管道流固耦 合动力学问题频域响应预测，并且具有较高的预测精度。
[0067] 本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离 本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护 范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其特征在于：其包括以下步骤， 步骤一、根据管路系统中每个管路元件的属性，将管路系统离散为直管元件、弯管元件 和管路附件元件三种类型； 步骤二、根据离散后的管路元件的类型，建立各管路元件相应的场传递流固耦合矩阵 或点传递流固耦合矩阵； 步骤三、将离散后的管路系统重新组合为若干传递矩阵单元体，且根据所述管路系统 预测的管壁弯曲波最小波长或者预测的上限频率计算传递矩阵单元体的特征长度范围； 步骤四、结合管路系统边界处流体已知条件和结构已知条件组成边界条件矩阵和外部 激励列向量，利用传递矩阵方法，预测管路系统任意位置的流固耦合动力学特性。2. 如权利要求1所述的一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其特征在于： 离散管路系统时，管路系统包括场传递元件和点传递元件，所述场传递元件包括直管元件 和弯管元件，所述点传递元件为管路附件元件。3. 如权利要求2所述的一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其特征在于： 所述管路附件元件包括管路支撑、分支接头和阀门。4. 如权利要求1所述的一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其特征在于， 根据所述管路系统预测的管壁弯曲波最小波长计算传递矩阵单元体的最大特征长度 的计算方法为：其中，表示重新组合后的单元体的最大特征长度，C表示比例系数， 表示与管壁杨氏模量（E)，管路内径氓），管路外径（R。)，管内流体密 度（Pf)，管壁密度（Pp)和泊松比（u)相关的计算式，λ_为预测的管壁的弯曲波最小波 长。5. 如权利要求1所述的一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其特征在于： 根据所述管路系统预测的上限频率计算传递矩阵单元体的最大特征长度的计算方法为：其中，表示组合后的单元体的最大特征长度，C表示比例系数， 表示一个与管壁杨氏模量（Ε)，管路内径〇〇，管路外径（R。)，管内流体密度（ρf)和管壁密 度（Pp)相关的计算式，s_表示可以预测的上限频率。6. 如权利要求1所述的一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其特征在于： 对于任意的管路系统，其任意考察位置的状态向量的预测方法为：其中，表示在管路系统中选取的任意考察位置的状态向量，UaA表示从任意考察 位置所在的单元体的始端到考察位置的传递矩阵，utq表示提取矩阵，其作用是将考察位置 所在单元体的始端的状态矩阵从管路系统的整体传递矩阵中提取出来，D表示由流体已知 条件和结构已知条件组成的边界条件矩阵，1]&表示由各单元体共同组成的整体传递矩阵， []1表示矩阵的逆阵，FM1表示管路系统的外部激励列向量。7.如权利要求6所述的一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其特征在于： 当管路系统由单个单元体组成时，通过下述的方法计算管路系统任意考察位置的状态向 量：其中，N表示用于描述管路糸统流固耦合振动的变量数，其值为大于等于2的自然数， 表示在管路系统中选取的任意考察位置的状态向量，ΟNXN表示NXN维的零矩阵，INXN 表示NXN维的单位矩阵，DNX3N表示NX3N维的边界条件矩阵，U1 NXN表示从管路始端到考 察位置的NXN维的传递矩阵，U2NXN表示从考察位置到管路末端的NX3N维传递矩阵，[]1 表示矩阵的逆阵，F3NXN表示3NXN维的激励列向量。
【专利摘要】本发明涉及流固耦合预测领域，具体涉及一种管路系统的流固耦合动力学特性预测方法，其包括，根据管路系统中每个管路元件的属性，将管路系统离散为直管元件、弯管元件和管路附件元件三种类型；根据离散后的管路元件的类型，建立各管路元件相应的场传递流固耦合矩阵或点传递流固耦合矩阵；将离散后的管路系统重新组合为若干传递矩阵单元体，且根据所述管路系统预测的管壁弯曲波最小波长或者预测的上限频率计算传递矩阵单元体的最大特征长度；预测管路系统任意位置的流固耦合动力学特性。本发明能够消除管路系统流固耦合动力学问题数值溢出和预测结果不稳定问题，预测过程简便，非常有利于编程计算，并且预测精度高。
【IPC分类】G06Q10/04
【公开号】CN105260806
【申请号】CN201510827491
【发明人】李帅军, 姚世卫, 李华峰, 郑明明
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一九研究所
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月25日