基于多物理场的管道强度与模态分析(三)管道的流固耦合模态分析.pdf

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1、71基于多物理场的管道强度与模态分析（三）管道的流固耦合模态分析由于流体作用而引起管道的冲击振动，对其可靠性和安全性具有重大影响。本文对充液管道的流固耦合模态进行了分析，并研究了壁厚和管径对管道固有频率的影响，为管道的设计和安全评价提供参考依据。□西南石油大学机电工程学院张杰一、引言立其几何模型。本例中的管道直径为100mm，管道长度为异管道的振动问题一直是人们关注的热点，特别是充5m，其建模方式如图1所示，建立同尺寸的圆柱体。定义管液管道的振动对其工作的可靠性和安全性具有重要的影响。道材料的弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。采用四节点壳单元对圆柱

2、体的外表面进行网格划分，则当物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定比例关系的，可以用一个向量表示，得到了直管结构有限元模型。对管道的一段进行固定约束，称之为模态。模态分析是研究结构动力学的一种近代方法，另一端施加除轴向以外的约束。通过计算或实验的方法得到结构的固有频率、阻尼比和模态振型等模态参数。模态分析的最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。本文对充液直管的流固耦合模态进行了分析，与无液时的管道进行了对比，并研究了壁厚和直径对管道固有频率的影响。二、流固耦合模态分析1.有

3、限元模型由于要分析的几何模型较为简单，可直接在软件中建图2势流体材料定义图1建立几何模型图3数值计算模型2014年第4期72仿真COMPUTERAIDEDENGINEERING再建立如图1所示的圆柱体几何模型为流体模型。流体3.结构参数对固有频率的影响采用基于势的流体单元进行模拟，定义势流体材料如图2所管道固有频率是其本身固有特性，除了与流体有关示，流体体积模量为2.56GPa，密度为1000kg/m3。采用8节点外，还与管道的结构参数有关。因而需要研究管道壁厚和直六面体单元对流体模型进行网格划分，不需要设定流固耦合径对其固有频率的影响。图6为管道前6阶固有频率随壁厚的边界。划分

4、网格后的管道和流体有限元模型如图3所示。变化曲线。由图6可知，管道的各阶固有频率随壁厚的增大对模态分析的控制参数设置如图4所示，可以设置而增大，且呈非线性规律变化；随着壁厚的增大，各阶固有所要提取的前N阶固有频率和模态振型，采用“Lanczos频率的增长率逐渐降低；阶数越高，固有频率随壁厚的变化Iteration”方式进行求解。越明显。图4模型控制参数2.计算结果分析图6管道壁厚对固有频率的影响为了研究流体对管道固有频率的影响，对空管进行了模态分析，表1为无耦合（空管）和考虑流固耦合效应的管图7为管道前6阶固有频率随管径的变化曲线。由图7可道前6阶固有频率。可以看出，考虑流固耦合

5、后，管道的固知，管道的各阶固有频率随管径的增大而增大，且呈非线性有频率比空管状态下的低，且随着阶数的增加，固有频率的规律变化；阶数越高，固有频率随管径的增长率越大。变化率逐渐降低。说明了对于充液管道考虑流固耦合模态计算时的结果更为准确。表1管道固有频率（单位：Hz）模态阶数无耦合流固耦合变化率134.9526.90-23.03%2110.885.55-22.78%3224.3173.9-22.47%369.7288.1-22.07%5541.2423.8-21.69%6733.4576.9-21.34%图7管道壁厚对固有频率的影响图5管道的前6阶模态振型。通过分析发现，无论有无

6、流固耦合作用，管道的各阶模态振型基本相同，说明了流体不影响管道的模态振型。三、非定常流对管道振动影响为研究非定常流下管道的振动特性，需要对管道进行流固耦合分析，具体建模过程不再赘述。管道的一段固定，另一端约束除轴向以外的自由度，材料参数与前文相同，采用壳单元对模型进行网格划分，并设置管道的表面为流固耦合边界，并对整个模型施加重力载荷，重力加速度为9.8m/s2。流体采用层流模型，流体粘度为0.001Pa·s，密度为1000kg/m3。用四面体单元对其进行网格划分，并设置流体外表面为流固耦合边界。在流体端部施加轴向速度载荷，对另一端除轴向以外的速度设定为0。对流体施加的周期性速图5

7、前6阶模态振型CAD/CAM与制造业信息化73图8流速随时间变化曲线度载荷如图8所示，其频率与流固耦合模态分析后的管道第1阶固有频率相同，取为36.9Hz。通过计算以后，管道的最大变形如图9所示，其与图5中的第1阶模态振型相同。图9管道的相对变形图10管道位移变化曲线图10为管道中间一点的位移变化曲线。由于流体的初始速度为0，因而初始产生的振动较为剧烈，随着时间的增长，管道的振动逐渐趋于稳定。可见初始时刻由于速度的剧烈变化而引起水击现象较为严重。四、结语通过对充液管道进行了流固耦