水下航行器充液管道流固耦合振动特性与疲劳寿命分析

针对水下航行器管道系统在内外复杂载荷耦合作用下的振动与疲劳问题，研究人员通过建立双向流固耦合(FSI)时域分析框架，结合三维有限元模型(FEM)，揭示了流体脉动主导应力分布、弯管振动放大效应及涡激压力波动加速疲劳损伤的机制。该研究为工程管道安全设计与可靠性提升提供了重要理论支撑。

　　

水下航行器的管道系统如同人体的血管网络，承担着输送流体介质的重要使命。然而，在深海极端环境中，这些管道不仅面临外部波浪、机械运转带来的随机振动，还要承受内部流体因阀门启闭产生的水锤效应（Water Hammer）冲击。更棘手的是，流体与管壁的相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）会引发复杂耦合振动，导致管道疲劳损伤甚至失效。尽管前人针对单一管道类型或孤立载荷开展了研究，但对水下航行器这种同时承受内外激励的复杂系统仍缺乏系统性分析。

南京理工大学等机构的研究团队在《Marine Structures》发表论文，首次建立了涵盖直管与弯管的双向FSI时域分析框架。通过三维有限元模型量化动态响应，并结合疲劳累积损伤理论预测寿命，揭示了三大关键发现：流体脉动会显著降低管道模态频率，弯管结构因涡流效应更易发生疲劳损伤。这项研究为深海装备管道设计提供了重要理论工具。

研究采用三大关键技术：1）基于有限元法(FEM)构建双向FSI耦合模型，同步求解流体域与结构域方程；2）通过模态分析获取管道在流体填充前后的固有频率变化；3）结合Miner线性累积损伤准则，计算多频应力作用下的疲劳寿命。实验样本采用典型不锈钢管道，模拟实际水下航行器工况参数。

结果分析
Governing equations and methodology
建立包含质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]和刚度矩阵[K]的模态控制方程，通过双向耦合算法实现流体压力与管壁变形的实时交互计算。

Results of modal analysis
对比4组管道模态发现：充液管道模态频率比空管平均降低40%，证实流体不可压缩性抑制管壁变形；直管等效应力比弯管低42%，揭示弯头处的振动放大效应。

Conclusions
研究证实：1）流体脉动是应力分布的主控因素；2）弯管因涡激压力波动(VIV)更易发生疲劳损伤；3）建立的分析框架可推广至多种管道构型FSI研究。

该研究突破传统单载荷分析局限，首次系统量化了复杂耦合载荷下管道的振动疲劳机制。不仅为水下航行器管道安全设计提供理论依据，其双向FSI建模方法更为核电、航空等领域管道可靠性研究开辟新思路。团队特别指出，未来需进一步探究多物理场耦合作用下的管道损伤演化规律，以应对更深海域的工程挑战。