管线振动问题的有限元分析及解决案例

2015-12-03陈雪松

中国科技纵横 2015年3期

关键词：振型固有频率管线

陈雪松

(大连市锅炉压力容器检验研究院,辽宁大连　116600)

管线振动问题的有限元分析及解决案例

陈雪松

(大连市锅炉压力容器检验研究院,辽宁大连116600)

针对炼厂常见的管线振动情况,采用振动理论分析得出管线系统振动的主要原因是管线内介质脉动频率与管系振动固有频率重合所引起的,提出通过改变支撑结构,进而改变管系固有频率,以避开管线内介质脉动频率,达到消除管线振动的方法,并利用Ansys有限元分析软件模拟管线固有频率在改造前后的变化和相应应力、位移情况,找出最佳解决方案。

管线振动Ansys有限元分析

某厂加氢加热炉出口管线自安装后运行后即出现剧烈振动的现象，影响了正常的安全生产。

管道实际结构及位置见图1。

1　振动原因分析

振动理论简述[1]，物体的振动是指物体在稳定平衡位置附近作运动的过程。工程中最常遇到的简单振动系统，如图2所示的简单自由振动系统，即质量-弹簧系统。物体的质量为M，系统的刚性系数为K。

图1　加氢加热炉出口管线

图2　简单自由振动系统

图3　原布置管线有限元网络图

当质量M受到一个瞬时干扰(或激发)时，M就离开平衡位置而产生振动，这种振动称为自由振动，此时的振动频率称为固有频率，并用f表示，对单自由度质量-弹簧系统固有

但是，对复杂系统而言，固有频率不是只有一个，而是有多个。

如上图所示系统自由振动的动力学方程为:

方程的解为

式中Az---振幅;ω---振动系统的固有频率，fπω 2=;θ---初始相位角;t---时间;

自由振动是由于激发或干扰而导致的，振动系统受到持久性、周期性干扰而导致振动系统作受迫振动，工程上的绝大部分是受迫振动。当图2系统中质量M受到周期干扰力作用后，质量产生受迫振动，在受迫振动情况下，振动系统频率与激发频率一致。

由上分析可知管线系统振动的主要原因是管线内介质脉动所引起的。因此，改变管线系统的固有频率，使之远离介质脉动频率，是解决管线振动的根本方法。

2　原布置管线振动分析数学模型建立

计算采用ANSYS工程计算软件对管系进行模态及结构静力学的有限元分析。

图4　原布置管线的二阶固有频率f2对应的振型图

图5　改造后管线的二阶固有频率f2对应的振型图

数学分析模型选择软件自带的专用Pipe16、Pipe18单元生成直管和弯管部分，手动确定相应节点、单元的位置及连接，分析时考虑的载荷包括:内压、温度载荷、自重等(后面的载荷计算中均考虑上述载荷)，由于采用Pipe单元直接生成方式，比较一般的由实体生成单元的方式，计算量明显减少，精度又不会受到影响。[2]

利用ANSYS软件建立的数学分析模型如图3所示。