搜索基于ANSYS的管道振動(dòng)模態(tài)分析
2017-07-21 by:CAE仿真在線 來(lái)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(dòng)主頻率產(chǎn)生共振,并為管道的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和減震提供依據(jù)。
在生產(chǎn)實(shí)踐中,管道的強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)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(dòng);在振動(dòng)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(duì)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)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(huì)效益。
本文以注水系統(tǒng)配注管線的劇烈振動(dòng)為例,利用大型結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對(duì)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(dòng)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(dòng)主頻率處于共振區(qū),因而引起強(qiáng)烈振動(dòng)。為避免結(jié)構(gòu)固有頻率和振動(dòng)主頻率的共振,有效地減輕管道的振動(dòng),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(yàn)證。
01
管系簡(jiǎn)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(jì)算方便將管線進(jìn)行了簡(jiǎn)化(如圖2),管線的彈性模量為206GPa,泊松比0.3。
02
配注管線實(shí)測(cè)振幅、時(shí)域波形及頻譜
測(cè)點(diǎn)1、2水平方向(振動(dòng)最大方向)的振幅、時(shí)域波形和頻譜:
圖3 測(cè)點(diǎn)1的時(shí)域波形
圖4 測(cè)點(diǎn)1的頻譜
圖5 測(cè)點(diǎn)2的時(shí)域波形
圖6 測(cè)點(diǎn)2的頻譜
由測(cè)得數(shù)據(jù)可知配注管線振動(dòng)劇烈,測(cè)點(diǎn)1振幅為29.8mm/s,是標(biāo)準(zhǔn)11.2mm/s的2.7倍;測(cè)點(diǎn)2振幅145mm/s是標(biāo)準(zhǔn)11.2mm/s的12.9倍,測(cè)試的位移達(dá)到1073μm(峰-峰值),振動(dòng)頻率都是30.7Hz。
03
管道結(jié)構(gòu)固有頻率的計(jì)算
用ANSYS有限元分析軟件對(duì)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(duì)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(shí)際的約束情況對(duì)管線的相關(guān)節(jié)點(diǎn)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(yùn)用Block Lanczos(分塊)法對(duì)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(jiàn)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(shí)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(dòng)頻率30.7Hz對(duì)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(shí)管道極易發(fā)生機(jī)械共振,產(chǎn)生劇烈的管道振動(dòng),這與實(shí)際測(cè)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(duì)管道進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和改造,使管系的結(jié)構(gòu)固有頻率盡量避開(kāi)與激發(fā)頻率的共振區(qū)。
04
具體消振方案
從上面的分析可知,可以通過(guò)提高管系的結(jié)構(gòu)固有頻率來(lái)避開(kāi)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(dòng)。要想提高管系的結(jié)構(gòu)固有頻率,在不改變?cè)泄芟到Y(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(duì)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(jiàn)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(duì)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(kāi)了與激發(fā)頻率的共振區(qū),對(duì)改善管道振動(dòng)有很理想的效果。
05
結(jié)論
通過(guò)以上分析,可得以下幾點(diǎn)結(jié)論:
(1)實(shí)踐中經(jīng)常遇到的管道振動(dòng)主要原因之一是因?yàn)楣芫€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(xiàng)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(guò)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(kāi)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(dòng)。
(3)所采取的措施簡(jiǎn)單易行,為實(shí)踐中的此類(lèi)問(wèn)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(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證,從而為此類(lèi)工程問(wèn)題提供了一種新的分析方法和解決途徑。
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