基于ANSYS的管道流致振动分析.doc

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1、基于ANSYS的管道流致振动分析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

2、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

3、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，

4、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

5、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

6、，两个激励完全相关;当RMIN<ζRMAX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

7、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

8、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