The dynamic impact of clamping on pipe systems: a comprehensive analysis through simulation and experimental studies

Abstract

Hidrolik boru sistemlerinin mühendisliği ve tasarımında, titreşim kaynaklı arızaların riskinin en aza indirilmesi temel bir gerekliliktir; bu durum, özellikle güvenilirlik ve emniyetin kritik olduğu havacılık ve uzay uygulamalarında önem arz etmektedir. Yapısal rezonans, uygun şekilde ele alınmadığında yüksek çevrimli yorulmaya ve nihai sistem arızasına yol açabilir. Titreşim davranışını etkileyen başlıca faktörlerden biri, havacılık motorlarının dönüş frekanslarıdır; bu frekanslar boru yapılarının doğal frekanslarıyla örtüştüğünde rezonans modlarını uyarabilir. Bu nedenle, rezonans kaynaklı hasarların önlenmesi için dinamik özelliklerin doğru şekilde tahmin edilmesi ve kontrol edilmesi hayati önem taşımaktadır. Bu çalışma, iki farklı destek koşulu altında dinamik uyarıma maruz kalan çift bükümlü bir boru konfigürasyonunun kapsamlı analizini sunmaktadır: biri tamamen desteksiz, diğeri ise orta noktasından yumuşak elastik bir kelepçe ile desteklenmiştir. Sistemin modal tepkisini değerlendirmek için sayısal ve deneysel yöntemler kullanılmıştır. Sonlu eleman analizleri hem üç boyutlu katı eleman modeli hem de iki boyutlu kabuk eleman modeliyle gerçekleştirilmiş ve elde edilen modal veriler deneysel sarsıcı testleri ile doğrulanmıştır. İlk üç doğal frekans ve karşılık gelen mod şekilleri tüm yöntemlerde detaylı olarak karşılaştırılmış ve yüksek uyum gözlenmiştir. Ayrıca, her iki konfigürasyon için sönüm oranları yarı güç bant genişliği (3 dB) yöntemiyle hesaplanmış ve sistemin dinamik davranışına ilişkin önemli bilgiler elde edilmiştir. Bulgular, mekanik destekle sağlanan pasif titreşim kontrolünün modal özelliklerin değiştirilmesinde ve rezonans riskinin azaltılmasında kritik bir rol oynadığını ortaya koymaktadır. Bu araştırma, boru sistemlerinde titreşim dinamiklerine ilişkin daha geniş bir anlayış kazandırmakta ve özellikle havacılık ve uzay platformları gibi titreşim hassasiyeti yüksek ortamlarda dayanıklı akışkan taşıma sistemleri geliştiren mühendisler için uygulanabilir tasarım stratejileri sunmaktadır.

In the engineering and design of hydraulic pipeline systems, minimizing the risk of vibration-induced failures is a fundamental requirement, particularly in aerospace applications where reliability and safety are paramount. Structural resonance, if not properly addressed, can lead to high-cycle fatigue and eventual system failure. A primary factor influencing vibrational behavior is the rotational frequencies of aero engines, which may excite resonant modes in pipeline structures if they coincide with the natural frequencies. Thus, accurately predicting and controlling these dynamic characteristics is crucial to prevent resonance-induced damage. This study presents a comprehensive analysis of a double-bent pipe configuration subjected to dynamic excitation under two different support conditions: one fully unsupported and the other supported at its midpoint using a cushioned elastic clamp. Both numerical and experimental methods were employed to evaluate the system's modal response. Finite element analyses were conducted using both three-dimensional solid and two-dimensional shell elements. The resulting modal data were validated through experimental shaker tests. The first three natural frequencies and corresponding mode shapes were compared in detail across all approaches, showing strong agreement. Furthermore, damping ratios for both configurations were determined using the half-power bandwidth (3 dB) method, offering valuable insight into the system's dynamic behavior. The findings highlight the significance of passive vibration control through mechanical support, particularly in modifying modal properties and reducing resonance risk. This research contributes to a broader understanding of vibrational dynamics in pipeline systems and offers practical design strategies for engineers developing robust fluid transport systems in vibration-sensitive environments such as aerospace platforms.