Page 296 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 38 卷第 11 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 38 No. 11
2025 年 11 月 Journal of Vibration Engineering Nov. 2025

充 液 流 动 管 道 低 频 带 隙 特 性 与 振 动 控 制

刘明利 ， 肖文宇 ， 罗 宇 ， 罗傲尘 ， 王新阳 ，
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龚凌云 ， 陈星文 ， 高鹏林 ， 瞿叶高 3
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（1. 山东核电有限公司，山东 烟台 265116； 2. 上海核工程研究设计院股份有限公司，上海 200233；
3. 上海交通大学机械系统与振动全国重点实验室，上海 200240）
摘要：针对工业输流管道低频宽带振动控制需求，本文研究了不同流速下充液管道局域共振带隙特性与调控方法。采用
Timoshenko 梁理论和柱塞流模型建立了考虑转动惯性、流体作用力及多自由度谐振子的充液管道动力学模型，基于能带理论
系统研究了流体流速、谐振子组合方式及阻尼参数对局域共振带隙的影响规律。研究表明，流-固耦合效应使管道带隙边界
频率向低频偏移，随着流速增加，流体导致管道的阻尼耗散作用增强，带隙附近的共振响应得到明显抑制。此外，通过对谐振
子串并联组合方式与阻尼进行协同设计可以显著拓宽振动衰减频带，对两自由度并联谐振子（阻尼比为 0.15），通过优化设计
可以使管道在 200~2000 Hz 内的共振峰传递率比非控制管道降低超 30 dB。本文研究可为核电、石化等领域输流管道的低频
宽带振动控制提供理论设计依据。
关键词： 充液管道；Timoshenko 梁；局域共振带隙；振动控制
中图分类号：O327；O328 文献标志码：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202506003

Low-frequency bandgap characteristics and vibration control

of fluid-conveying pipelines

LIU Mingli ，XIAO Wenyu ，LUO Yu ，LUO Aochen ，WANG Xinyang ，
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GONG Lingyun ，CHEN Xingwen ，GAO Penglin ，QU Yegao 3
（1.Shandong Nuclear Power Co.，Ltd.，Yantai 265116，China；
2.Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China；
3.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）
Abstract： To address the demand for low-frequency broadband vibration control in industrial fluid-conveying pipelines， this study
investigates the bandgap characteristics and tuning methods of locally resonant pipes under different flow velocities. A dynamic model of fluid-
conveying pipes is developed based on the Timoshenko beam theory and plug flow model，incorporating rotational inertia，fluid-induced
forces，and multi-degree-of-freedom resonators. Using Bloch band theory，the influences of flow velocity，resonator configuration，and
damping parameters on locally resonant bandgaps are systematically analyzed. The results demonstrate that fluid-structure coupling shifts the
bandgap boundary frequencies toward lower frequencies. As the flow velocity increases，the damping dissipation effect induced by the fluid is
enhanced，significantly suppressing resonance responses near the bandgap. Furthermore，synergistic design of the series-parallel configuration
and damping of resonators can substantially broaden the vibration attenuation bandwidth. For a two-degree-of-freedom parallel resonator
(damping ratio=0.15)，optimized design reduces the resonance peak transmissibility of the pipe by more than 30 dB within the frequency range
of 200~2000 Hz compared to uncontrolled pipes. These findings provide theoretical design guidelines for low-frequency broadband vibration
control in fluid-conveying pipelines for nuclear power，petrochemical，and related industries.
Keywords：fluid-conveying pipeline；Timoshenko beam；locally resonant bandgap；vibration control

输流管道被广泛应用于核电、能源化工和航空 激励作用下，充液管道在长寿命周期内要承受严酷
航天等工业领域 [1-3] ，在动力装置和流体等复杂多源 复杂的流-固耦合振动，可能诱发结构疲劳失效，导

收稿日期：2025-06-03；修订日期：2025-08-06
基金项目：国家自然科学基金资助项目 (12202267)；机械系统与振动全国重点实验室自主课题 (MSVZD202404)；上海市市
级科技重大专项资助课题