竖直输液弯管流固耦合作用振动分析.pdf

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1、第31卷第1期2018年2月中国修船CHINASHIPREPAIRV01．31No．1Feb．2018竖直输液弯管流固耦合作用振动分析卢嘉伟1，朱汉华1，焦文健1，王金龙2，张维1(1．武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063；2．中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062)摘要：文章针对竖直弯管转弯角度和支撑形式等因素，建立了4种转弯角度下的管道模型，基于流固耦合原理，运用ANSYS有限元软件分别进行了管道模态分析以及瞬态结构分析。结果表明，充液过程中，管道因流体冲击产生波动的位移，转弯角度的增大会减小流体的冲击作用，但同时会导致位移和应力的增大，改变管道最大应力发生的位

2、置，减小管道的固有频率；两端均采用固定支撑，减少了管道的自由度，能够有效增加管道的固有频率，并且减少集中应力和振动幅度，为船舶管路的维修布置提供了依据。关键词：弯管；转弯角度；固有频率；应力；位移中图分类号：U672doi：10．13352／j．issn．1001—8328．2018．01．003Abstract：Basedontheprincipleoffluid—solidcoupling，thefiniteelementsoftwareofANSYSwasusedtoanalyzethepipelinemodeandthetransientstructureanalysisrespect

3、ively．Thepipemodeloffourturningangleswasestablishedfortheangleandthesupportingformoftheverticalbend．Theresultsshowthatthedisplacementofthepipeduetotheimpactofthefluidduringthefillingprocesswillreducetheimpactofthefluid，butatthesametimewillleadtotheincreaseofdisplacementandstress，andchangetheposition

4、ofthemaximumstressofthepipeandreducethenaturalfrequencyofthepipeline．Bothendsarefixedsupport，reducingthedegreeoffreedomofthepipeline，caneffectivelyincreasethenaturalhequeneyofthepipeline，andreducetheconcentrationofstressandvibration，forthemaintenanceoftheshippipelinelayoutprovidesthebasis．Keywords：e

5、lbow；turningangle；naturalfrequeney；stress；displacement一般船舶都需要大量的管路用来传送水、油、气等，管道安装过程不可避免的存在水平、竖直以及弯曲等形式，管系中流体介质复杂多样，流体稳定性差，工作过程会出现由于系统操作或其它扰动原因而产生非定常流动，管道受到流体冲击产生流固耦合效应，势必会导致剧烈的噪声以及导致管道元件的损坏，严重影响设备的寿命与安全运行。因此展开管道流固耦合力学特性研究是非常必要的⋯。一些学者针对管道流固耦合特性进行了研究，金长明、张杰等旧。1证明了管内液体的存在降低了管道的模态频率，流固耦合作用不可忽略。周知进等H1研究了

6、流固耦合作用对不同曲率管道位置等效应力的影响。本文基于流固耦合原理，运用数值模拟方法研究竖直弯管布局形态以及管道支撑方式2个方面对管道的动态位移和应力的影响。l流固耦合振动方程1．1流体域控制方程流体的流动要遵循包括质量、动量在内的物理守恒定律。对于一般的液体来说，守恒定律可以通过如下控制方程描述。质量守恒方程：基金项目：国家海事局科技项目(20133h209L)作者简介：卢嘉伟(1993一)，男，江苏南通人，在读硕士研究生，研究方向为船舶运输安全。·6·2018年第1期卢嘉伟，等：竖直输液弯管流固耦合作用振动分析第3l卷塑Ot+V·(pfV)=o，(1)动量守恒方程：警+v．(”咿丁，)：工

7、，(2)式中：石是液体体积力矢量；pf是流体的密度；丁，是液体的剪切力张量；t为时间；移为速度矢量。1．2固体域控制方程管结构守恒方程：p。ds=V·仃。+工，(3)式中：P。是固体密度；or。是柯西应力张量；丘是固体体积力矢量；ds管结构当地加速度矢量。1．3流固耦合流固耦合遵循最基本的守恒原则，在流固耦合交界面处，满足流体与固体应力、位移等变量的相等‘51。即：位移协调方程：df=d。，力平衡