ANSYS 在管道流致振动分析中的应用
1 前言
核电站管道系统布置中，大量采用孔板作为节流装置或流量测量装置。孔板对流体的扰动会导致局部回流和旋涡的出现，引起管内的局部压力脉动，从而造成管道系统出现振动和噪声，严重情况下会导致结构开裂和流体泄漏，造成巨大经济损失。为从根本上避免孔板诱发振动对结构完整性的威胁，需要在设计阶段就充分考虑流致振动影响，但由于流致振动问题的复杂性和技术手段的限制，目前缺乏可以指导工程设计的通用研究成果。由于管道流体作用在管道结构上的流体激励是随机的，必须采用随机振动分析方法对管道响应进行计算。本文利用孔板诱发流体脉动压力的试验测量结果，采用ANSYS 软件的随机振动分析功能，对孔板扰流诱发的管道振动响应进行了计算，并分析了脉动压力的相关性对管道振动响应的影响。由于ANSYS 软件的随机振动分析功能有些理论和使用上的限制，文中还介绍了使用ANSYS 软件计算管道流致振动响应过程中的一些特殊处理方法。
2 孔板诱发脉动压力的功率谱密度
在用随机振动理论对孔板诱发的管道流致振动响应进行计算之前，需要获得作用在管道内壁的脉动压力功率谱密度函数（PSD）。本文在实验测量结果的基础上，根据均方值与自功率谱密度的关系式，通过推导及假设获得了脉动压力场所有位置的自功率谱密度；互功率谱密度根据ANSYS 程序中的空间相关模型获得。关于实验的具体描述见参考文献，关于激励模型的建立见参考资料。
2.1 脉动压力的自功率谱密度
实验测得的脉动压力均方值沿管道环向近似于均匀分布。不同的轴向测点测得的均方值如图1 所示，图中反映了孔板对流体产生了明显局部扰动，且孔板对下游的扰动比上游大，产生的脉动压力的峰值产生在测点5 位置（孔板后158.4mm）。忽略孔板影响范围之外的脉动压力，并根据均方值沿轴向的分布形式，假设均方根值由测点2 位置线性增加到测点5，再由测点5 线性减小到测点7。
注：孔板位置的横向坐标为0，测点沿流动方向排号，孔板前两个测点，孔板后6 个测点
图1 各轴向测点处的压力脉动均方值
由均方根值与自功率谱之间的关系，并根据均方根值上述的分布规律，认为脉动压力的自功率密度在同一管道截面上各个位置均相同，沿管道轴向的分布情况与均方值的分布情况一致，不同轴向位置处的自功率谱密度均由测点5 位置的自功率谱密度沿谱曲线的纵轴缩减得到，缩减比例由均方值沿管道的轴向分布确定。在孔径比为0.304，实验流量为40 吨/小时的情况下，实验测得的测点5 处自功率谱密度拟合线如图2 所示。
图2 测点5 位置的脉动压力自功率谱密度拟合曲线
2.2 脉动压力的互功率密度
根据流场局部区域的均匀假设，认为孔板诱发脉动压力的自功率谱密度在局部区域均匀，即
式中，Sp（x, ω）为空间x 位置处的自功率谱密度。而互功率谱密度Sp（x, y, ω）只与两点的距离有关，与具体位置无关。
另外，由相干函数的定义
可知，互功率谱密度函数可由相干函数和脉动压力的自功率谱密度计算得到。如果进一步忽略互功率谱密度复函数的虚部，则可采用ANSYS 程序中的空间相关模型确定互功率谱密度：认为γ只与两个激励点之间的空间距离ζ有关，在ANSYS 随机振动计算时，设置两个参数RMIN 和RMAX，当ζ ≤RMIN 时，两个激励完全相关；当RMIN＜ζ＜RMAX 时，两个激励部分相关；而当ζ＞RMAX 时，激励不相关，即
3 管道流致振动响应的有限元计算
3.1 有限元模型
认为孔板诱发的脉动压力是均值为零的平稳遍历的随机过程，采用ANSYS 随机振动分析功能对管道的流致振动响应进行计算。首先根据试验管道的几何与材料特性，建立有限元模型。管道模型长6 米，外径90 毫米，壁厚2.5 毫米，由ANSYS 的63 号弹性壳单元模拟。管道模型的所有单元尺寸均一致，长和宽均为20 毫米，厚度为2.5 毫米。因此，管道模型共包含4800 个单元，4816 个节点。管道材料为1Cr21Ni15Ti 不锈钢，材料参数见表1。其中，计算材料密度时，考虑了水动力附加质量的影响。孔板的质量为0.6886 千克，将其以集中质量的形式分摊加到孔板所在截面的各个节点上。
表1 管道模型的材料参数
3.2 边界约束条件
实验测量脉动压力时，实验段管道两端安装了固定支架，但由于实际约束达不到理想的固定约束条件，测得的停泵满水情况下的管道固有频率小于两端固支的理论固有频率。为了尽量真实的模拟管道在实验过程中所处的约束条件，在管道模型两端分别施加两个弯曲弹簧和拉伸弹簧，并取弯曲弹簧刚度为k1＝2×105N.m/ rad，拉伸弹簧刚度为k2＝6×106N/m（图
3），此时管道前三阶频率分别为8.0Hz，23.2Hz 和45.8Hz，与实验值8.0Hz，23.0Hz，45.0Hz 几乎完全一致。
图3 边界约束条件图
3.3 载荷条件
ANSYS 程序中可输入的激励功率谱密度有节点力激励、压力激励和基础位移激励三种形式。由于采用压力激励形式时，ANSYS 不能利用空间相关模型确定互功率谱密度，本文强行将脉动压力激励转化为节点力激励。节点力自功率谱密度的输入方式为：在需要加载的节点处施加一比例系数，再通过PSD-频率表输入自功率谱密度曲线。最终该节点处输入的自功率谱密度为比例系数与PSD 值的乘积。因此，本文计算时，只输入测点5 位置的自功率谱密度曲线，并在测点2 位置和测点7 位置之间所有的节点上施加节点力，节点力的大小为对应的缩小比例系数，比例系数根据前面叙述的脉动压力均方根值分布情况确定。
由于激励模型的简化，不能考虑脉动压力的相位变化，为了避免由此引起的响应计算结果过小，我们保守的假设脉动压力自功率谱密度的比例系数的环向分布如图4 所示，以计算管道y 向的最大响应。而根据前面关于均方根值轴向分布的假设，轴向比例系数分布如图5。在使用ANSYS 程序加载时，对于这样的载荷分布情况，可以使用循环语句，并提取每个节点的坐标值作为函数的自变量，进行函数加载。
图4 脉动压力载荷沿管道环向分布情况
图5 脉动压力载荷沿管道轴向分布情况
4 管道流致振动响应的计算结果
分别考虑不同的空间相关性情况（改变参数R MIN和R MAX），计算在孔径比为0.304，实验流量为40 吨/小时的情况下测点5 和孔板位置处的随机振动响应，计算结果汇总于表2。
表2 管道随机振动响应的计算结果
从表2 可以看出，管道随机振动响应随着空间相关程度的增大而增大。对于完全不相关，或参数RMIN 和RMAX 取值很小的情况，脉动压力在不同位置处的互功率谱密度近似为零，这种情况相当于即使两个空间位置相隔很近，它们之间的脉动压力也相互独立，这明显与实际情况不相符合，此时计算得到的管道响应也比实验值小得多。对于完全相关的情况，计算值比实验值大，符合工程保守性要求。事实上，由于孔板的近场扰动特性，本文计算的单纯由孔板诱发的脉动压力的轴向的长度仅为6 倍的管道外径，与管道长度相比很小，因
此，将节点激励视为完全相关并不会使计算结果产生很大的误差。本文计算值比实验值略大的原因主要是产生在管道环向载荷的处理上，保守的假设各个瞬时脉动压力沿y 轴分量方向均一致。另外，在完全相关情况下，ANSYS 软件的计算时间大大缩短，便于实际的工程应用。
5 结论
本文利用孔板诱发流体脉动压力的试验测量结果，采用ANSYS 软件的随机振动分析功能，对孔板扰流诱发的管道振动响应进行了计算，并分析了脉动压力的相关性对管道振动响应的影响。由于孔板扰流属近场扰动，其引起的脉动压力集中在孔板附近相对较小的区域，因此可以认为孔板诱发的脉动压力空间完全相关。此时，激励模型可以简化，计算时间短，计算得到的管道流致振动响应结果满足保守性要求，可用于工程评价。由于ANSYS软件的随机振动分析功能有些理论和使用上的限制，文中还介绍了使用ANSYS 软件计算管道流致振动响应过程中的一些特殊处理方法。
管道振动分析
输水管道振动分析 水利水电工程和农业水利工程中，为了减小蒸发、输水方便、利于控制，常采用压力管道进行输水。在管道输水过程中，往往会发生管道的振动现象，若管线长期振动会遭受疲劳破坏，进而引发管线断裂、水体外泄等事故。应在设计中予以考虑。 1.输水管道振动机理 在压力和流速作用下，管道壁会承受动水压力，动力设备、来流条件、流体输送机械操作和外部环境的刺激会使管道产生随机振动。 管道、支架和相连设备构成一个结构系统，在激振力的作用下，系统会发生振动。管道振动分为两个系统：一个是管道系统，一个是流体系统。 压力管道的激振力来源于系统自身或系统外部。来自系统自身的激振力主要有与管道相连接的机器的振动和管内流体不稳定流动引起的振动；来自系统外的主要有风、地震等。振动对压力管道而言是交变荷载，危害程度取决于激振力的大小和管道的抗震性能。 2.管道激振力分析 来自系统内部的激振力主要有以下几种： 2.1 由于运动要素脉动产生的脉动压力 实际工程中的液体流动多属于紊流，其基本特征是许多大小不等的涡体相互混掺着前进，在流动过程中流速、压强等运动要
素会发生脉动，继而产生脉动压强和附加切应力，管道在此作用下会发生振动。 2.2 由于气蚀产生的冲击力 对于部分压力管道，基于提供水流动能和节省工程投资的需求，常选择断面较小的管道，管道内流动的水流为高速水流。水流流动过程中动能较大，压能较小，当压强低于同温度下的气化压强时，部分液体发生气化，产生空泡。空泡随液流前进的过程中逸出，当压强增大，其自身的存在条件被破坏后，空泡发生溃灭。空泡在管壁附近频频溃灭，会在瞬间产生较大的冲击力，使管道发生振动。 2.3 由于水击产生的水击压力 压力管道中流动的液体流速因某种外界原因发生急剧变化时（如阀门开启或关闭），由于液体具有一定的压缩膨胀性，液体内部压强产生迅速交替升降，这种交替升降的水击压力像锤子击打在管壁、阀门或其他管路元件上一样，造成管道的弹性变形和振动。 3.削减管道振动作用的措施分析 3.1管道材料的选择 管道材料不同，其结构性能也不同。为了减轻振动，首先应选择抗震性能较强、弹性较好的材料。如同等条件下，应首选钢管、UPVC管，其次是铸铁管、混凝土管。 3.2 消减流体振动
ansys模态分析及详细过程
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ANSYS模态分析实例
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①“ Structural Solid”→“ Quad 4node 42” →Apply（添加PLANE42为1号单元） ②“ Structural Solid”→“ Quad 8node 45” →ok（添加六面体单元SOLID45为2号单元） 在Element Types (单元类型定义)对话框的列表框中将会列出刚定义的两种单元类型：PLANE42、SOLID45，关闭Element Types (单元类型定义)对话框，完成单元类型的定义。 3.设置材料属性 由于要进行的是考虑离心力引起的预应力作用下的轮盘的模态分析，材料的弹性模量EX 和密度DENS必须定义。 ①定义材料的弹性模量EX Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models> Structural > Linear > Elastic >Isotropic 弹性模量EX＝2.1E5 泊松比PRXY＝0.3 ②定义材料的密度DENS Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models>density DENS =7.8E-9 4.实体建模 对于本实例的有限元模型，首先需要建立轮盘的截面几何模型，然后对其进行网格划分，最后通过截面的有限元网格扫描出整个轮盘的有限元模型。具体的操作过程如下。 ①创建关键点操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS 列出各点坐标值Utility menu >List > Keypoints >Coordinate only
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现MeshTool对话框，一般采用只能划分网格，点击SmartSize,下面可选择网格的相对大小（太小的计算比较复杂，不一定能产生好的效果，一般做两三组进行比较），保留其他选项，单击Mesh出现Mesh Volumes对话框，其他保持不变单击Pick All，完成网格划分。 第6步：进入求解器并指定分析类型和选项 选取菜单途径Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，将出现New Analysis对话框,选择Modal单击 OK。 选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis 对话框，选中Subspace模态提取法，在 Number of modes to extract处输入相应的值（一般为5或10，如果想要看更多的可以选择相应的数字），单击OK，出现Subspace Model Analysis对话框，选择频率的起始值，其他保持不变，单击OK。 第7步：施加边界条件. 选取Main Menu>Solution>Define loads>Apply>Structural>Displacement,出现ApplyU,ROT on KPS对话框，选择在点、线或面上施加位移约束,单击OK会打开约束种类对话框，选择（All DOF,UX,UY,UZ）相应的约束,单击apply或OK即可。第8步：指定要扩展的模态数。选取菜单途径Main Menu>Solution>Load Step Opts>ExpansionPass>Expand Modes,出现Expand Modes对话框,在number of modes to expand 处输入第6步相应的数字，单击 OK即可。（当选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis 对话框，选中Subspace模态提取法，在 Number of modes to extract处输入相应
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模态分析步骤 第1步： 载入模型Plot>Volumes 第2步： 指定分析标题并设置分析范畴 1设置标题等Utility Menu>File>Change Title Utility Menu>File> Change Jobname Utility Menu>File>Change Directory 2选取菜单途径MainMenu>Preference ,单击Structure,单击OK第3步： 定义单元类型 MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,出现Element Types 对话框,单击Add出现Library of Element Types对话框,选择Structural Solid,再右滚动栏选择Brick 20node 95,然后单击OK，单击Element Types对话框中的Close 按钮就完成这项设置了。 第4步： 指定材料性能 选取菜单途径MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels。出现DefineMaterialModelBehavior对话框,在右侧Structural>Linear>Elastic>Isotropic,指定材料的弹性模量和泊松系数，Structural>Density指定材料的密度，完成后退出即可。 第5步： 划分网格
选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,出现MeshTool 对话框，一般采用只能划分网格，点击SmartSize,下面可选择网格的相对大小（太小的计算比较复杂，不一定能产生好的效果，一般做两三组进行比较），保留其他选项，单击Mesh出现Mesh Volumes对话框，其他保持不变单击Pick All，完成网格划分。 第6步： 进入求解器并指定分析类型和选项 选取菜单途径Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，将出现New Analysis对话框,选择Modal单击OK。 选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis对话框，选中Subspace模态提取法，在Number ofmodes to extract处输入相应的值（一般为5或10，如果想要看更多的可以选择相应的数字），单击OK，出现Subspace Model Analysis对话框，选择频率的起始值，其他保持不变，单击OK。 第7步： 施加边界条件.选取 MainMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement,出现 ApplyU,ROTonKPS对话框，选择在点、线或面上施加位移约束,单击OK会打开约束种类对话框，选择（AllDOF,UX,UY,UZ）相应的约束,单击apply或OK即可。 第8步： 指定要扩展的模态数。选取菜单途径 MainMenu>Solution>LoadStepOpts>ExpansionPass>ExpandModes,出现Expand Modes对话框,在number of modes to expand处输入第6步相应的数字，单击OK 即可。（当选取MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions，将出现ModalAnalysis对话框，选中Subspace模态提取法，在Number of modes to extract处输入相应的值（一般为5或10，如果想要看更多的可以选择相应的数字），同时选择number of modes to expand输入相应值时，这步可以省略）
工艺管道常见故障原因分析(标准版)
工艺管道常见故障原因分析 (标准版) Security technology is an industry that uses security technology to provide security services to society. Systematic design, service and management. ( 安全管理 ) 单位：______________________ 姓名：______________________ 日期：______________________ 编号：AQ-SN-0816
工艺管道常见故障原因分析(标准版) 工艺管道出现故障的原因有很多，但一般说来，主要是由以下这几个方面造成的； 1．设计缺陷 (1)工艺、结构设计缺陷 设计时未全面考虑管道所处的环境、振动、温度补偿、支撑等因素的影响；管子、管件、阀门间连接形式不合理，使得管道的刚性不足或过大，导致管道承受较大的振动或应力，最终导致管道提前失效。 (2)选材不当 在设计选材时考虑不全面或选材错误，如温度条件、腐蚀条件等因素选材不当，都会导致管道因腐蚀等因素而提前失效。 2．检修安装施工缺陷
(1)管道安装 在管道安装过程中未严格按照施工规范进行施工，如存在强力组对导致管道内应力加大而加剧应力腐蚀，引起管道穿孔或破裂。 (2)焊接 在检修安装施工过程中，因焊接工艺选择不当、焊条焊剂未按规定烘干与保存、焊前与焊后热处理不当，同时，在焊接过程中，存在咬边、错边、未焊透、夹渣、气孔等焊接缺陷均会导致管道的施工质量下降，使管道在寿命周期内失效。 (3)材料 在施工过程中误用、混用、错用材料或代用材料不合要求、材料本身存在的质量缺陷也会引起管道的失效和破坏事故的发生。 (4)防腐、保温 在检修安装施工过程中，因防腐或保温不当，也会使管道因腐蚀加剧而提前失效。 3．振动 工艺管道的振源多种多样，大致可分为来自系统内和系统外的
ANSYS 在管道流致振动分析中的应用
1 前言 核电站管道系统布置中，大量采用孔板作为节流装置或流量测量装置。孔板对流体的扰动会导致局部回流和旋涡的出现，引起管内的局部压力脉动，从而造成管道系统出现振动和噪声，严重情况下会导致结构开裂和流体泄漏，造成巨大经济损失。为从根本上避免孔板诱发振动对结构完整性的威胁，需要在设计阶段就充分考虑流致振动影响，但由于流致振动问题的复杂性和技术手段的限制，目前缺乏可以指导工程设计的通用研究成果。由于管道流体作用在管道结构上的流体激励是随机的，必须采用随机振动分析方法对管道响应进行计算。本文利用孔板诱发流体脉动压力的试验测量结果，采用ANSYS 软件的随机振动分析功能，对孔板扰流诱发的管道振动响应进行了计算，并分析了脉动压力的相关性对管道振动响应的影响。由于ANSYS 软件的随机振动分析功能有些理论和使用上的限制，文中还介绍了使用ANSYS 软件计算管道流致振动响应过程中的一些特殊处理方法。 2 孔板诱发脉动压力的功率谱密度 在用随机振动理论对孔板诱发的管道流致振动响应进行计算之前，需要获得作用在管道内壁的脉动压力功率谱密度函数（PSD）。本文在实验测量结果的基础上，根据均方值与自功率谱密度的关系式，通过推导及假设获得了脉动压力场所有位置的自功率谱密度；互功率谱密度根据ANSYS 程序中的空间相关模型获得。关于实验的具体描述见参考文献，关于激励模型的建立见参考资料。 2.1 脉动压力的自功率谱密度 实验测得的脉动压力均方值沿管道环向近似于均匀分布。不同的轴向测点测得的均方值如图1 所示，图中反映了孔板对流体产生了明显局部扰动，且孔板对下游的扰动比上游大，产生的脉动压力的峰值产生在测点5 位置（孔板后158.4mm）。忽略孔板影响范围之外的脉动压力，并根据均方值沿轴向的分布形式，假设均方根值由测点2 位置线性增加到测点5，再由测点5 线性减小到测点7。 注：孔板位置的横向坐标为0，测点沿流动方向排号，孔板前两个测点，孔板后6 个测点 图1 各轴向测点处的压力脉动均方值
ANSYS模态分析步骤
ANSYS模态分析步骤 第1步：载入模型Plot>V olumes，输入/units，SI（即统一单位M/Kg/S）。若为组件，则进行布尔运算：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue(或Add)>V olumes 第2步：指定分析标题/工作名/工作路径，并设置分析范畴 1 设置标题等Utility Menu>File>Change Title/ Change Jobname/ Change Directory 2 设置分析范畴Main Menu>Preference，单击Structure，OK 第3步：定义单元类型 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，→Element Types对话框，单击Add→Library of Element Types对话框，选择Structural Solid，再右滚动栏选择Brick 20node 95，然后单击OK，单击Element Types对话框中的Close按钮就完成这项设置了。 第4步：指定材料性能 Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models→Define Material Model Behavior，右侧Structural>Linear>Elastic>Isotropic，指定弹性模量EX、泊松系数PRXY；Structural>Density指定密度。第5步：划分网格 Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool，出现MeshTool对话框，一般采用只能划分网格，点击SmartSize，下面可选择网格的相对大小，保留其他选项，单击Mesh出现Mesh V olumes对话框，其他保持不变单击Pick All，完成网格划分。当内存不足时，取消SmartSize 第6步：进入求解器并指定分析类型和选项 Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，出现New Analysis对话框，选择Modal，OK。Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis对话框，选中Subspace 模态提取法，在No. of modes to extract处输入相应的值（一般为5或10），单击OK，出现Subspace Model Analysis对话框，输入Start Freq值，即频率的起始值，其他保持不变（也可输入End Frequency，即输入频率范围；此时扩展模态仅在此范围内取值），单击OK。 第7步：施加边界条件 Main Menu>Solution>Define loads>Apply>Structural>Displacement，出现ApplyU，ROT on KPS对话框，选择在点、线或面上施加位移约束，单击OK会打开约束种类对话框，选择（All DOF，UX，UY，UZ）相应的约束，单击apply(多次选择)或OK即可。 第8步：指定要扩展的模态数 Main Menu>Solution>Load Step Opts>ExpansionPass>Single Expand>Expand Modes，出现Expand Modes对话框，在No. of modes to expand 处输入第6步相应的数字，单击OK即可。 注意：在第6步NMODE No. of modes to expand输入扩展模态数后，第8步可省略。 第9步：进行求解计算 Main Menu>Solution>Solve>Current LS。浏览在/STAT命令对话框中出现的信息，然后使用File>Close 关闭该对话框，单击OK。在出现警告（不一定有）“A check of your model data produced 1 Warning。Should the SOLV command be executed?”时单击Yes，求解过程结束后单击close。 第10步：列出固有频率 Main Menu>General Postproc>Results Summary。 第11步：动画显示模态形状 查看某阶模态的变形，先读入求解结果。执行Main Menu>General Postproc>Read results>first Set，然后执行1.Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape，在弹出对话框中选择“Def+undefe edge”或执行 2.PlotCtrls>Animate>mode shape，出现对话框，左边滚动栏不变，在右边滚动栏选择“Def+undefe edge”，单击OK，可查看动画效果。如果需要看其他阶模态，执行Main Menu>General Postproc>Read results>Next Set，重复执行上述步骤即可。 第12步：结束分析SA VE_DB; Main Menu>Finish 1
输流管道系统非线性流固耦合振动研究_熊禾根
[收稿日期]20060325 [作者简介]武汉科技大学 机械传动与制造工程 湖北省重点实验室开放基金项目(2005A13);湖北省教育厅科研资助项目(B200611007)。 [作者简介]熊禾根(1966),男,1987年大学毕业,博士,副教授,现主要从事机械设计与理论、现代设计方法、智能设计制造 执行系统等方面的研究。 输流管道系统非线性流固耦合振动研究 熊禾根,李公法,孔建益杨金堂,蒋国璋,侯 宇,刘怀广 (武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081) [摘要]管道在众多的工业领域中具有十分广泛的应用,发挥着极其重要的作用。围绕输流管道系统的非 线性动力学建模、非线性动力学分析方法和稳定性问题,简述了输流管道系统非线性流固耦合振动的最 新研究情况,并对今后值得进一步研究的某些问题作了分析和预测。 [关键词]输流管道;非线性;流固耦合;稳定性 [中图分类号]U 173;Q327 [文献标识码]A [文章编号]16731409(2006)02057403 输流管道耦合振动具有自激振动的特性,属于非线性动力学研究的重要内容。文献[1,2]的研究表明,输流管道的振动问题的物理模型简明,易于理解、设计和制造。其简单形式的控制方程蕴涵着丰富而复杂的动力学内容,同时也表明对这样问题的非线性动力学研究的必要性。随着数值计算技术、非线性理论与方法研究的不断深入和发展,在输流管道非线性振动方面发现了一些重要现象,主要包括:管道横向挠度引起的轴向拉力对其动力学特性的影响、定常流和振荡流作用下悬臂管的分岔与混沌行为、支承输流管的非线性振动稳定性以及振荡流导致的参数共振。 但是,由于管道流固耦合这一非线性问题的复杂性,还存在一些重要问题需要解决,如寻求更完善的输流管道的动力学建模理论与方法以及探索采用现代非线性动力学分析数值方法研究与揭示其非线性振动机理。笔者将围绕输流管道系统的非线性动力学建模、非线性动力学分析方法、稳定性等3个方面简述输流管道系统非线性流固耦合振动的最新进展情况,同时讨论尚需进一步研究的问题。 1 输流管道非线性动力学建模 由于考虑因素的侧重面不同,建立的管道流固耦合非线性动力学方程也有一定的差别。在实际应用中,管道内径远远小于管道长度,输流直管假设为梁模型是合理有效的。建立动力学方程都假定:流体为无黏不可压;管作为梁模型来处理;管在平面内振动;不计剪切变形和截面转动惯量的影响。 文献[3]采用H am ilton 变分原理导出了两端固支管的非线性动力学模型: (m +M) u +M V +zM V u +MV u +MV 2u +M V u -EA u -EI (v v +v v ) +(T 0-P -EA )v v -(m +M )g =0(1) (m +M) v +M V v +2M V v +MV 2v -(T 0-P)v +EI v -EI (3u v +4u v +2u v +v u +2v 2v +8v v v +2v 3)(T 0-P -EA )(u v +u v +32 v 2v )=0(2)式中,V (t)为流速;E 为管道材料的弹性模量;A 和I 分别为管截面的面积和惯性矩;m 和M 分别为管道和流体的单位长度质量;上标 表示对时间的导数;上标 表示对坐标的导数;g 为重力加速度;u 和v 分别为管轴线的横向位移和轴向位移;T 0为固支管的轴向拉力;P 为其内的流体压力。 文献[4]综合Paidoussis 和Wigg er t 的管道动力学方程,忽略了管道泊松耦合的影响,提出了描述管道非线性流固耦合运动的4-方程模型: W A p u z -(PA f ) -m f ( V f +V f V f )-mg z -m p u z =0(3) 574 长江大学学报(自科版) 2006年6月第3卷第2期理工卷 Journal of Yangtze University (Nat Sci Edit) Jun 2006,Vo l 3N o 2Sci &Eng V
油管振动导致断裂原因分析及处理方式
#2机EHM管振动导致断裂原因分析及处理方式 《科技与企业》杂志2011年12月（下）大唐莱阳发电厂（湖南省末阳市）王班瑛【摘要】大唐耒阳发电，广’一期丁1987-,年-投产两台200MW气轮发电机 组，采用哈尔滨汽轮机厂制连的55型第7台和第ZION200-- 130/5j5 一次中问再热 凝气式汽轮机，在投产时两台机组均没有采用高压抗燃油EH液压控制系统。后 #1、#2机分别丁2001年、2005年在大修期间进行改造米用了高压抗燃油EH液 压控制系统，EH油系统设备是由上海新华公司提供的配套设备。而#2机的EH油 管是在2005 年69大修期间进行安装的，管道分别是q）25 X 2. 5与（1）14x2的不锈钢管， 由新华公司提供，管道与所有三通、接头、大小头均采用是插入式焊接，EH油泵出口压力为14. 5Mpa EH油温：40” 55。G 【关键词】#2机EH油管；断裂；分析及处理 一.现状分析 我厂#1、2机组EHM系统管道安装后运行超过8年，自设备安装运行以来，#2 机 组丁2008年、2011年7月29K 2011年8月4B共发生了3次中压调门管道焊缝 处裂纹或断裂事故，造成停机。特别是#2机最近一次管道断裂是发生在大修后， 大修期间金相人员对管道三通焊缝进行了检查，未发现异常，但是在大修 后一个多月，中压调门油动机的EH油管道就发生了2次断裂现象。造成了EH 油 的大量泄漏，而导致停机。这对机组的安全运行造成了重大的影响，同时也造 成了严重的经济损失。因为EH油的造价非常贵，每次机组因EHM管道泄漏而造成 的异停，至少造成EH油泄漏1桶以上，丽且开停机有大量的损耗，造成f不必要 的经济损失，同时也加强了运行人员和检修人员的劳动强度。 =.原因分析 引起油管振动的原因主要有以卜几个方面： 1、机组、调门振动。 汽轮机本体与汽门阀组相连，油动机与阀门本体相连，EH油管与油动机相连接，当调门振动加大时，油管道肯定会随之增大振动，200MvM组的4个中压调门、油动机在汽缶工的侧面和最上部，当机组振动增大时，振动会直接或间接的传递到EH 油系统管道，造成EH油管道振动增大。 2、管夹固定不到位。 由一I : EH油管道的管线较长，按照《EH系统安装调试手册》中规定管夹必须可靠固定，如果管道管夹固定不好，布置不合理，不但不能对发生振动的管道起到约束和消振的作用，反而可能会造成管系的共振，加大油管的振动，油管道还必须有相应的固定支架，固定支架必须到位，否则容易造成油管无良好支撑，增大振动量。 3、伺服阀故障。 EH油中电液伺服阀出现故障时，如：伺服阀 卡涩，紧同件松动、卸荷阀内阻尼孔松脱、弹簧管疲劳等等因素 都可以导致EH油系统无法正常运行，产生振荡信号，引起油管振 动。 4、抗燃油油质劣化的因素。 EH油外观透明均匀，无沉淀物，其密度很大，因而有可麓使得管道中的污染物悬 浮在液面而在系统内循环，造成零部件的堵塞和磨损。从而造成管道的振动。而导 致EH油油质劣化。
ANSYS模态分析报告实例和详细过程
均匀直杆的子空间法模态分析 1.模态分析的定义及其应用 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。 ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。 2.模态分析操作过程 一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。 (1).建模 模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。 (2).施加载荷和求解 包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。 指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。 指定分析选项，Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法〕，设置模态提取数量MXPAND. 定义主自由度，仅缩减法使用。 施加约束，Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement。 求解，Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 (3).扩展模态 如果要在POSTI中观察结果，必须先扩展模态，即将振型写入结果文件。过程包括重新进入求解器、激话扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。 激活扩展处理及其选项，Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes。 指定载荷步选项。 扩展处理，Main Menu-solution-Solve-Current LS。 注意:扩展模态可以如前述办法单独进行，也可以在施加载荷和求解阶段同时进行。本例即采用了后面的方法 (4).查看结果 模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等
汽水系统管道振动原因分析及处理措施
汽水系统管道振动原因分析及处理措施 摘要：本文简单介绍了我厂汽水管道常见振动现象及处理措施，并通过案例分析出管道振动形成的原因，提出管道振动消除措施，对同类机组控制管道振动处理具有一定的参考价值。 引言 火力发电厂汽水系统承担着重要的汽水循环任务。管道作为热力个系统设备之间的联络管路，是发电厂热力系统必不可少的重要组成部分。振动是火电厂汽水系统运行中的一种多发现象，管道振动的存在可能导致支吊架松动失效以及振动产生的往复力可能是管道局部发生疲劳破坏，并对连接的设备产生附加推力，造成设备的损害，不仅如此，由于汽水管道长期处于振动状态，其管道内部的应力处于交变的状况，容易减少管道的使用寿命，也会增加电力系统运行的安全风险，严重时会导致电力系统的停机事故，影响电厂安全运行。电厂庞大复杂的管道系统最重要承载部件是各种形式的支吊架，支吊架的性能好坏、承载合理与否直接影响到电厂管道乃至整个机组的安全运行。 1我厂汽水系统管道常见的振动现象 1.1管道水击、振动 水击现象：当压力管道的阀门突然关闭或开启时或水泵突然停止或启动时，因瞬时流速发生急剧变化，引起管道内介质动能迅速改变，而使压力急剧变化。蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不彻底，导致送出的蒸汽部分凝结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质将高速向此处冲击，高温蒸汽也会带动管内的冷凝水高速运动，在管道弯头和阀门处，由于汽水流速和方向的改变造成水冲击，引发管道振动。如1-4#机高加疏水、1-4#炉疏水至除氧器管道、污水事故水泵出口管道振动等都属于属于这种现象； 原因分析：高加危急疏水由于汽液两相流，汽液两相流引起管道振动，汽液两相流的热交换时，运动的介质吸热或散热，汽液比发生变化，在局部产生流体冲击，尤其是存在向外散热的情况时，流体中的介质蒸汽可局部冷凝，其体积在瞬间产生很大的变化，附近液流高速移动占据这个空间，形成冲击引起振动，并对弯头冲涮较为严重，管道振动较大，严重影响设备运行。 措施：通过减少汽液两相流流量和疏水最底部加装疏放水阀门管道，同时加强管道暖管和更换厚壁弯头、加固支吊架，考虑热膨胀方向，限位管道振动，通过以上措施减少并改善了管道振动。 原因分析：炉疏水至除氧器在除氧器处阀门及止回阀为法兰连接，开始管道接与除氧器上部，除氧头下部，炉疏水时管道振动，法兰经常漏水，经分析炉疏水温度高于除氧器上部温度，在除氧器与入口汽水交换，流体吸热或散热，汽液比发生变化，在局部产生流体冲击，造成管道振动。 措施：通过将炉疏水接至除氧头，此处温度接近炉疏水温度，振动减少，从而减少了管道剧振，并且法兰泄漏问题也得到了彻底解决。 原因分析：污水事故水泵出口管道原始布置为一台正常布置，另一台泵出口管道接与泵出口管道上，未接至母管上，泵启动时，出口压力脉动至泵基础上，反作用力于管道造成，从而造成管道振动。 措施：对出口管道各加1个DN200弯头，并将一台泵出口管道接长，引致出口母管上，振动消除。 1.2支吊架设计不良