基于ANSYS的管道振動模態(tài)分析

2017-07-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

介紹建立管道結(jié)構(gòu)的有限元模型,用ANSYS程序?qū)ζ浞治?得出管道結(jié)構(gòu)固有頻率和振型,從而判斷管道是否與振動主頻率產(chǎn)生共振,并為管道的動態(tài)設(shè)計和減震提供依據(jù)。

在生產(chǎn)實踐中,管道的強(qiáng)烈振動會使管路附件尤其是管道的連接部位、管道與附件的連接部位和管道與支架的連接部位等處發(fā)生磨損松動;在振動所產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下,導(dǎo)致疲勞破壞,從而發(fā)生管線斷裂、介質(zhì)外泄,甚至引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故,給生產(chǎn)和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此,對出現(xiàn)強(qiáng)烈振動的管道,分析其產(chǎn)生原因并給出相應(yīng)的減振措施具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

本文以注水系統(tǒng)配注管線的劇烈振動為例,利用大型結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對管道進(jìn)行建模并作出相應(yīng)的模態(tài)分析。在得出低階情況下結(jié)構(gòu)固有頻率和相應(yīng)振型后與振動主頻率比較,從而判斷出在低階情況下結(jié)構(gòu)固有頻率與振動主頻率處于共振區(qū),因而引起強(qiáng)烈振動。為避免結(jié)構(gòu)固有頻率和振動主頻率的共振,有效地減輕管道的振動,采取在合適的位置施加位移約束的方法進(jìn)行消振,并給出了驗證。

管系簡介

該管線為注水系統(tǒng)配注管線,管線的局部布局如圖1所示,在ANSYS系統(tǒng)中為了計算方便將管線進(jìn)行了簡化(如圖2),管線的彈性模量為206GPa,泊松比0.3。

配注管線實測振幅、時域波形及頻譜

測點1、2水平方向(振動最大方向)的振幅、時域波形和頻譜:

圖3 測點1的時域波形

圖4 測點1的頻譜

圖5 測點2的時域波形

圖6 測點2的頻譜

由測得數(shù)據(jù)可知配注管線振動劇烈,測點1振幅為29.8mm/s,是標(biāo)準(zhǔn)11.2mm/s的2.7倍;測點2振幅145mm/s是標(biāo)準(zhǔn)11.2mm/s的12.9倍,測試的位移達(dá)到1073μm(峰-峰值),振動頻率都是30.7Hz。

管道結(jié)構(gòu)固有頻率的計算

用ANSYS有限元分析軟件對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和模態(tài)分析。用梁空間單元Beam189對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元數(shù)劃分。劃分完網(wǎng)格的管線的有限元模型如圖7所示。

圖7 管線的有限元模型

按照實際的約束情況對管線的相關(guān)節(jié)點施加相應(yīng)約束,施加完約束后的圖形如圖8所示。

圖8 管線約束

運用Block Lanczos(分塊)法對管線進(jìn)行模態(tài)分析,得出管系結(jié)構(gòu)的前5階固有頻率值(見表1)和相應(yīng)頻率下的振型圖(如圖9)。

圖9 2階固有頻率及振型

表1 管線結(jié)構(gòu)的前5階固有頻率

階次	1	2	3	4	5
頻率/Hz	20.846	33.688	41.582	60.160	80.673

在工程上常把 (0.8~1.2)的頻率范圍作為激發(fā)頻率共振區(qū)。當(dāng)管系機(jī)械固有頻率落在激發(fā)頻率共振區(qū)范圍時將發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。

由表1和圖9分析可知:

(1) 配注管線的振動頻率30.7Hz對應(yīng)的共振頻率范圍為24.56~36.84Hz,管系結(jié)構(gòu)的第2階固有頻率(33.688Hz),剛好落在共振頻率范圍內(nèi),此時管道極易發(fā)生機(jī)械共振,產(chǎn)生劇烈的管道振動,這與實際測試的數(shù)值相一致。

(2)由共振的理論可知,為了避免共振,應(yīng)對管道進(jìn)行合理的設(shè)計和改造,使管系的結(jié)構(gòu)固有頻率盡量避開與激發(fā)頻率的共振區(qū)。

具體消振方案

從上面的分析可知,可以通過提高管系的結(jié)構(gòu)固有頻率來避開激發(fā)頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率的共振區(qū),從而消減管道的振動。要想提高管系的結(jié)構(gòu)固有頻率,在不改變原有管系結(jié)構(gòu)的情況下,最有效最便捷的措施便是施加有效約束,在本管系結(jié)構(gòu)中,在管道中間處施加了一處約束。

圖10 管線的新約束情況

施加新增約束條件后,再利用Block Lanczos(分塊)法對管線進(jìn)行模態(tài)分析,得出管系結(jié)構(gòu)的前5階固有頻率值(見表2)。

表2 新約束條件下管線結(jié)構(gòu)的前5階固有頻率

階次	1	2	3	4	5
頻率/Hz	56.268	66.019	199.45	209.93	232.29

對比原約束和新約束條件下管線結(jié)構(gòu)的前5階固有頻率可知,在施加約束后管線結(jié)構(gòu)的固有頻率有了明顯提高,避開了與激發(fā)頻率的共振區(qū),對改善管道振動有很理想的效果。

結(jié)論

通過以上分析,可得以下幾點結(jié)論:

(1)實踐中經(jīng)常遇到的管道振動主要原因之一是因為管線結(jié)構(gòu)的固有頻率與激發(fā)頻率共振引起的。

(2)提高結(jié)構(gòu)的固有頻率值可以有效避免共振。而提高結(jié)構(gòu)固有頻率的一項有效便捷措施便是在合適的位置施加相應(yīng)約束條件。通過施加新的約束條件后,管線結(jié)構(gòu)的固有頻率有了明顯提高,從而避開了與激發(fā)頻率的共振區(qū),消減了由共振引起的劇烈振動。

(3)所采取的措施簡單易行,為實踐中的此類問題提供了解決方法和理論基礎(chǔ)。

(4)文中所采用的ANSYS模態(tài)分析方法,在實際應(yīng)用中得到了驗證,從而為此類工程問題提供了一種新的分析方法和解決途徑。

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