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1、71基于多物理場的管道強度與模態(tài)分析（三）管道的流固耦合模態(tài)分析由于流體作用而引起管道的沖擊振動，對其可靠性和安全性具有重大影響。本文對充液管道的流固耦合模態(tài)進(jìn)行了分析，并研究了壁厚和管徑對管道固有頻率的影響，為管道的設(shè)計和安全評價提供參考依據(jù)?！跷髂鲜痛髮W(xué)機電工程學(xué)院張杰一、引言立其幾何模型。本例中的管道直徑為100mm，管道長度為異管道的振動問題一直是人們關(guān)注的熱點，特別是充5m，其建模方式如圖1所示，建立同尺寸的圓柱體。定義管液管道的振動對其工作的可靠性和安全性具有重要的影響。道材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。采用四節(jié)點殼單元對圓柱
2、體的外表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，則當(dāng)物體按照某一階固有頻率振動時，物體上各個點偏離平衡位置的位移是滿足一定比例關(guān)系的，可以用一個向量表示，得到了直管結(jié)構(gòu)有限元模型。對管道的一段進(jìn)行固定約束，稱之為模態(tài)。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力學(xué)的一種近代方法，另一端施加除軸向以外的約束。通過計算或?qū)嶒灥姆椒ǖ玫浇Y(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是在識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。本文對充液直管的流固耦合模態(tài)進(jìn)行了分析，與無液時的管道進(jìn)行了對比，并研究了壁厚和直徑對管道固有頻率的影響。二、流固耦合模態(tài)分析1.有
3、限元模型由于要分析的幾何模型較為簡單，可直接在軟件中建圖2勢流體材料定義圖1建立幾何模型圖3數(shù)值計算模型2014年第4期72仿真COMPUTERAIDEDENGINEERING再建立如圖1所示的圓柱體幾何模型為流體模型。流體3.結(jié)構(gòu)參數(shù)對固有頻率的影響采用基于勢的流體單元進(jìn)行模擬，定義勢流體材料如圖2所管道固有頻率是其本身固有特性，除了與流體有關(guān)示，流體體積模量為2.56GPa，密度為1000kg/m3。采用8節(jié)點外，還與管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而需要研究管道壁厚和直六面體單元對流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不需要設(shè)定流固耦合徑對其固有頻率的影響。圖6為管道前6階固有頻率隨壁厚的邊界。劃分
4、網(wǎng)格后的管道和流體有限元模型如圖3所示。變化曲線。由圖6可知，管道的各階固有頻率隨壁厚的增大對模態(tài)分析的控制參數(shù)設(shè)置如圖4所示，可以設(shè)置而增大，且呈非線性規(guī)律變化；隨著壁厚的增大，各階固有所要提取的前N階固有頻率和模態(tài)振型，采用“Lanczos頻率的增長率逐漸降低；階數(shù)越高，固有頻率隨壁厚的變化Iteration”方式進(jìn)行求解。越明顯。圖4模型控制參數(shù)2.計算結(jié)果分析圖6管道壁厚對固有頻率的影響為了研究流體對管道固有頻率的影響，對空管進(jìn)行了模態(tài)分析，表1為無耦合（空管）和考慮流固耦合效應(yīng)的管圖7為管道前6階固有頻率隨管徑的變化曲線。由圖7可道前6階固有頻率。可以看出，考慮流固耦合
5、后，管道的固知，管道的各階固有頻率隨管徑的增大而增大，且呈非線性有頻率比空管狀態(tài)下的低，且隨著階數(shù)的增加，固有頻率的規(guī)律變化；階數(shù)越高，固有頻率隨管徑的增長率越大。變化率逐漸降低。說明了對于充液管道考慮流固耦合模態(tài)計算時的結(jié)果更為準(zhǔn)確。表1管道固有頻率（單位：Hz）模態(tài)階數(shù)無耦合流固耦合變化率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%圖7管道壁厚對固有頻率的影響圖5管道的前6階模態(tài)振型。通過分析發(fā)現(xiàn)，無論有無
6、流固耦合作用，管道的各階模態(tài)振型基本相同，說明了流體不影響管道的模態(tài)振型。三、非定常流對管道振動影響為研究非定常流下管道的振動特性，需要對管道進(jìn)行流固耦合分析，具體建模過程不再贅述。管道的一段固定，另一端約束除軸向以外的自由度，材料參數(shù)與前文相同，采用殼單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置管道的表面為流固耦合邊界，并對整個模型施加重力載荷，重力加速度為9.8m/s2。流體采用層流模型，流體粘度為0.001Pa·s，密度為1000kg/m3。用四面體單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置流體外表面為流固耦合邊界。在流體端部施加軸向速度載荷，對另一端除軸向以外的速度設(shè)定為0。對流體施加的周期性速圖5
7、前6階模態(tài)振型CAD/CAM與制造業(yè)信息化73圖8流速隨時間變化曲線度載荷如圖8所示，其頻率與流固耦合模態(tài)分析后的管道第1階固有頻率相同，取為36.9Hz。通過計算以后，管道的最大變形如圖9所示，其與圖5中的第1階模態(tài)振型相同。圖9管道的相對變形圖10管道位移變化曲線圖10為管道中間一點的位移變化曲線。由于流體的初始速度為0，因而初始產(chǎn)生的振動較為劇烈，隨著時間的增長，管道的振動逐漸趨于穩(wěn)定?？梢姵跏紩r刻由于速度的劇烈變化而引起水擊現(xiàn)象較為嚴(yán)重。四、結(jié)語通過對充液管道進(jìn)行了流固耦
