受折流装置摩擦影响的换热管振动分析

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1、科学·创新振兴市政府对模具行业的人才培训、；1进及聘请专家指导等提供各种方便条件。政府加大对模具行业协会的协调、扶植。以充分发挥行业协会的专业优势和桥梁纽带作用。作者简介：盛宏洙，男，1941年8月31日出生，1962年毕业于上海机械专科学校工模具制造专业，从事专业40余年，担任过企业总工程师，曾代表市政府技术考察团赴日本考察；规划筹建过阿尔夏利亚国家模具厂；编制过《九五、十五沈阳市模具行业发展规划》。现任沈阳市模具协会副理事长兼秘书长、中国模具协会理事。注：[1]《沈阳市模具装备产业战略研究报告》论文已于2003年t2月，通过

2、沈阳市科技局组织的省级评审论证。[2]《沈阳市模具装备产业战略研究报告》原稿15000字，现压缩成5000字。【3]《沈帑市模具装备产业战略研究报告》已被沈阳市经贸委编制的‘加快我市模具工韭发展规划和建设》中广为采用。受折流装置摩擦影响的换热管振动分析叶强金志浩(沈阳化工学院)摘要：本文应用双线性滞迟恢复力干摩擦模型和有限元方法，对换热管在折流装置干摩擦影响下的振动特性进行了分析，揭示了振动频响特性与支撑垮敷的一些关系。关键词：管壳式换热器干摩擦有限元法频响特性1引言管壳式换热器是一种在工业上应用十分广泛的热交换装置，其应用范围

3、遍及食品、化工、冶金、船舶、原子能等领域。在管壳式换热器中壳程的横流流体诱导的管子横向振动可导致管子失效，特别是当壳程发生严重漩涡脱落和流体弹性不稳定时，而且尤以后者破坏性大。为了避免管子的大幅度振动，工程上通常沿管长方向布置一些支撑结构来增加管子的刚度。理论上，支撑结构和管子之间是零间距的，即完全支撑的。但不幸的是，在设计和加工的过程中，考虑到装配的可能性和易操作性同时兼顾管子的热膨胀效应，通常在管子稂支撑结构之闻都存有一定间隙，结果导致在管子和支撵之间的初始接触很少甚至没有。这样虽然大幅度的振动被避免了，却使管子和支撑之间发

4、生了复杂的碰撞和摩擦效应，尤其是在壳程流体弹性失稳的情况下这种效应将十分明显，并最终将导致管子的迅速磨损破坏或塑性失效，这轻者需要停车维修影响生产，重者会发生危及人身安全和环境卫生的重大事故。要避免这种情况就必须弄清其发生机理。本文仅在简化模型的基础上分析了正弦激励下受局部摩擦管子的稳态响应，以期对工程设计有一些指导意义。2干摩擦模型1931年，DenHartog提出了理想干摩擦模型，即交接面上的干摩擦力是突然发生的，其时域波形为理想方波，并且干摩擦力总是阻碍运动，与运动速度反向。实际上，两固体接触表面的摩擦情况比较复杂，干摩擦

5、交接面都具有一定的弹性，在外力作用下，交接面先是沿切线方向产生弹性变形，等到外力大到一定程度，交接面才产生相对滑移。考虑到交接面的弹性性质，将干摩擦表面看成是一根弹簧和一个理想的couIomb摩擦副串接，1961年，1wan，Caughey等提出了著名的双线性滞迟恢复力模型。其中，具有记忆特性的非线性恢复力模型。其中，具有记忆特性的非线性恢复力z(t)采用双折线模型来近似描述，其增量形式的本构关系可写为：109科学·创新·振兴{：i：；j≥[】+罐rn(zs—J2(t)I)]dy(t)c，，躅1双线性干摩擦模型本文采用后面提到的

6、双线性滞迟恢复力模型，干摩擦阻尼及其摩擦力一位移双折线本构关系见图1。图中，M，K分别为系统质量、刚度；x为质量位移；斗，N，K。分别为干摩擦结合面摩擦系数、正压力、阻尼器弹性系数；F，‘分别为外激励、干摩擦阻尼力。3多自由度系统的迭代格式考虑图2所示的多自由度非线性振动系统，其上作用着简谐力(分布力和(或)任意个集中力，激振力的相位不相同，但频率必须一致)，若干自由度上安装着干摩擦阻尼器。运用有限元方法将结构离散，并且激振力等效到各自由度上。系统运动微分方程为[M]{t，j+[K]{X}={P。}coS(Or+{只}sino)

7、t一{，l(2)式中[．】If]，[K]分别为系统的质量、刚度矩阵；{P。}，{P。}为外激励幅值向量(考虑到各自自由度上激励力相位可能不同，将激励写成正弦、余弦两项)；i丘}，{z}分别为干摩擦阻尼力向量、位移向量。假设系统响应是与激励同频率的简谐运动，则摩擦力一也可近似看成是与F(#)同频率筒谐函数{，}={Fc}COSO)t+{F。}sinwt(3)式中向量{一}各元素具体表达式为110l圈2多自由度干摩擦阻尼系统科学·创新·振兴一————～————————————————————一————～———————～———～——防

8、=F：c。涮+霉sineot(＆=1，2，⋯，ⅣD)M=o(，=1，2，⋯，N，，≠^)(4)将(4)式代入(2)式，根据线性振动理论推得系统响应为{x(t){=JR3{Pc—Fc]eoso)t+[R]{Ps—Fs)sinwt(5、z；(。)=【磊＆(碑一R)】