基于SolidWorks與ANSYS的輸水管路模態(tài)分析

李關(guān)章

摘 要：采用SolidWorks對該段管路進(jìn)行三維建模，應(yīng)用ANSYS分析軟件對該段管路系統(tǒng)不同工況進(jìn)行振動模態(tài)分析，提取各階固有頻率，對管路振動固有頻率與激振頻率進(jìn)行對比，使得固有頻率避開振源頻率，從管道結(jié)構(gòu)有限元分析的角度來降低管系對外界激振力的響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：SolidWorks ANSYS 輸水管路 模態(tài) 支架

中圖分類號：TH113 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0089-02

管路在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，所處的工況對管路尺寸和管道布置的影響比較大。在投運前期，管路動態(tài)性能很難通過實際的測試獲取，需要通過多種途徑對其進(jìn)行加固，往復(fù)的修改工作一方面會導(dǎo)致很多問題的發(fā)生；另一方面增加較大成本。管道振動會產(chǎn)生較大噪音，特別在管路的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)斷裂和泄露，引起嚴(yán)重生產(chǎn)事故，最終導(dǎo)致較大損失，因此用有效快捷的方式解決這一問題尤為重要。高壓管路的振動一般都是振源引起的，往往振源種類比較多，因此難以直接獲得管路振動頻率。本文是根據(jù)某企業(yè)內(nèi)化水系統(tǒng)內(nèi)高壓泵出口管道振動這一工程實例，利用SolidWorks對該管路進(jìn)行建模，采用ANSYS分析軟件對該高壓管路進(jìn)行模態(tài)分析，獲得該管路初始狀態(tài)和加固后管路的各階固有頻率，再通過對兩種情形下模態(tài)進(jìn)行分析比較，采取合理的施工方案，有效避開振源頻率。

1 管系的簡單介紹

該管道為化水系統(tǒng)高壓泵出口管道，利用SolidWorks與ANSYS之間的數(shù)據(jù)交換提供的專用接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換[1]。該管路的彈性模量為EX=1.95e11MPa，泊松比PRXY=0.305，密度DENS=7870。

2 管道振動有限元動力學(xué)方程

管道振動體系的阻尼值非常小，對系統(tǒng)的自振頻率影響很小，所以在對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析計算其固有頻率和振型時，可以忽略阻尼在振型分析中的影響[2]，此時無外部載荷作用下系統(tǒng)的動力學(xué)方程可表示如下：

該方程存在非零解，式（1）為多自由度的動力學(xué)特征方程，由理論可知，它有n個根ω12，ω22，…ωn2，其中ωi是系統(tǒng)的第i階固有頻率。

3 管道結(jié)構(gòu)的有限元分析

首先應(yīng)用SolidWorks對該管道進(jìn)行三維建模，再利用SolidWorks與ANSYS之間接口，將管件模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，再使用ANSYS有限元分析軟件中的Solid單元20node186對管道進(jìn)行定義，劃分網(wǎng)格及定義約束，分別對初始管道和加固后管道進(jìn)行有限元分析，采用BLOCK LANCZOS方法對模型進(jìn)行求解。

由于管路發(fā)生共振時，測得的頻率值在低階范圍內(nèi)，一般只需計算其在振源范圍內(nèi)的6階即可。取振源頻率范圍內(nèi)6階固有頻率（表1）。

在工程上常把0.8～1.2的頻率范圍作為激發(fā)頻率的共振區(qū)。當(dāng)管系結(jié)構(gòu)的固有頻率落在激發(fā)頻率共振區(qū)范圍內(nèi)時將發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，實際測試頻率為46.53Hz，配注管線的振動頻率30.7Hz對應(yīng)的共振頻率范圍為40.39～52.67Hz[3]，對管路的振型分析可以看出，第五階振型在共振頻率范圍內(nèi)。

在輸水管路系統(tǒng)中振源頻率一般情況并不高，因此，在對管道進(jìn)行支架安裝時盡可能避開該管道共振頻率，從而消除管道對振源的響應(yīng)，從圖1分析可知5階非常接近振源頻率，因此需要通過安裝支架方式來改變管道振動頻率特性。

對預(yù)施加支撐管道進(jìn)行有限元分析，取前兩階振型，固有頻率參數(shù)和振型圖如表2、圖2所示。

由分析圖可知，通過安裝固定支撐可以使得管道模態(tài)頻率有效地避開源振動頻率，可以從根本上解決實際工作遇到的管道振動問題，通過后期施工測量，結(jié)果證明此方法可以應(yīng)用到現(xiàn)場工作中去且能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

4 結(jié)論

利用上述方法對管系的分析，可得以下結(jié)論。

（1）輸水管路的振動是管系的固有頻率與激振頻率共振產(chǎn)生的，振動的頻率是可以進(jìn)行測定的，利用有限元分析軟件對現(xiàn)有管路進(jìn)行分析，將得出的固有頻率與管路激振頻率進(jìn)行對比分析，可以解決管路振動問題，該方法證明通過有限元分析來消除振動是可行的。

（2）在輸水管路上施加有效的約束條件，改變其固有頻率是比較有效的消振方法。對輸水管道振動的情況進(jìn)行模態(tài)分析計算，可以計算出在該激振頻率下管路最大振幅，通過在該位置添加約束，可以起到最大的消振效果。該方法一方面為現(xiàn)場的施工提供了準(zhǔn)確方向，另一方面在進(jìn)行工作之前驗證施加約束的效果，確保設(shè)備的安全運行。

參考文獻(xiàn)

[1] 王在偉.SolidWorks與ANSYS之間的數(shù)據(jù)交換方法研究[J].煤礦機(jī)械，2011，32（9）：248-250.

[2] 武姣.電廠給水再循環(huán)管道振動特性分析[D].華北電力大學(xué)，2013.

[3] 陳建宇.基于ANSYS的注水系統(tǒng)管道振動模態(tài)分析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014（4）：70.endprint