一种强振动环境下空间管道减振设计方法技术

本发明专利技术公开了一种强振动环境下空间管道减振设计方法，包括如下步骤：步骤1：建立基础振动下空间管道双向流固耦合仿真模型；步骤2：对双向流固耦合仿真模型进行正交试验设计；步骤3：对正交试验设计的正交试验结果进行分析，以确定空间管道结构的最优组合。本发明专利技术针对空间管道建立双向流固耦合模型，根据综合评分法和正交实验法确定设计后管道的结构参数，以得到使管道综合性能最好的方案，从而减小强振动下空间管道的振动，提高管道系统的稳定性和安全性。

A Design Method for Vibration Reduction of Space Pipeline in Strong Vibration Environment

The invention discloses a design method for vibration reduction of space pipeline under strong vibration environment, which includes the following steps: step 1: establishing a bidirectional fluid-solid coupling simulation model of space pipeline under foundation vibration; step 2: carrying out orthogonal experimental design for bidirectional fluid-solid coupling simulation model; step 3: advancing the orthogonal experimental results of orthogonal experimental design Line analysis is carried out to determine the optimal combination of space pipeline structures. The invention establishes a bidirectional fluid-solid coupling model for a space pipeline, determines the structural parameters of the designed pipeline according to the comprehensive scoring method and the orthogonal experiment method, so as to obtain the best scheme for the comprehensive performance of the pipeline, thereby reducing the vibration of the space pipeline under strong vibration, and improving the stability and safety of the pipeline system.

【技术实现步骤摘要】
一种强振动环境下空间管道减振设计方法
本专利技术属于管道减振
，尤其设计一种强振动环境下空间管道减振设计方法。
技术介绍
处于恶劣工况环境下的工程机械，如硬岩掘进机(TBM)、矿山机械等，工作过程中，载荷突变势必会使设备产生强烈振动，导致安装在其上的空间管道振动。强振动环境不仅会使管道应力加剧，导致管道容易出现应力疲劳损伤，还会加剧管道内流体的波动，波动的流体会对下游执行元件造成大的冲击，进而影响液压系统的稳定性和工作效率，甚至会影响整个施工进度。管道设计旨在减小管道振动，现有的减小管道振动的对策有：应用特殊减振材料，增加对节波的吸收来减振；减弱或者消除管道系统的激振力，如在系统中应用脉动衰减器；可以改变系统参数，远离共振，或者设计新型抗振支承，提高管道刚度，减少管道振动等等。但现有的空间管道设计未考虑强振动，不适用于长期处于强振动环境下的管道设计，导致管道容易发生疲劳破坏，设备工作效率降低。因此，需要提出一种强振动环境下空间管道的设计方法，减小工作在强振动环境下空间管道的振动，提高管道系统的稳定性和安全性。综合评分法和正交试验法作为两者科学评判方法，已经在相关优化领域中得到应用，如专利号201710482783.5的专利技术专利，本专利技术通过冷热负荷确定最佳围护结构组合，能够更直接地反应建筑热工系统优化的方向，将BIM技术、围护结构权衡负荷判断法、正交试验等结合起来，使得优化过程的可靠性和精确性更高。但是在空间管道减振设计
还未见相关报导。
技术实现思路
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的目的之一在于提供一种能提高管道系统的稳定性和安全性的强振动环境下空间管道减振设计方法。该方法根据综合评分法和正交试验法确定设计后管道的结构参数，以得到使管道综合性能最好的方案，从而减小强振动下空间管道的振动，提高管道系统的稳定性和安全性。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种强振动环境下空间管道减振设计方法，包括如下步骤：步骤1：建立基础振动下空间管道双向流固耦合仿真模型；步骤2：对双向流固耦合仿真模型进行正交试验设计；步骤3：对正交试验设计的正交试验结果进行分析，以确定空间管道结构的最优组合。进一步的，步骤2的具体过程为：步骤2.1：确定影响管道减振性能的因素；步骤2.2：对每个因素取水平，并根据水平数和影响因素计算生成正交试验表；步骤2.3：根据所述正交试验表进行正交试验设计。进一步的，步骤2的具体过程为：步骤2.1：确定影响管道减振性能的因素；步骤2.2：对每个因素取水平，并根据水平数和影响因素计算生成正交试验表；步骤2.3：根据所述正交试验表进行正交试验设计。进一步的，步骤3中，所述正交试验结果以管道的最大应力和流体功率流波动幅值为指标。进一步的，在步骤2前还包括对仿真模型进行空间管道结构参数、管道材料属性和管内液压油参数及边界条件进行初始设置并进行仿真计算，以获得初始试验结果的步骤a。进一步的，通过综合评分法对所述正交试验结果进行分析，具体包括：将正交试验结果中的指标数值与初始试验结果中相对应的指标数值的比值作为评判指标，按重要性程度不同给各评判指标赋予权数，再对各试验计算加权指标，化为单一指标问题。进一步的，步骤3的具体过程为：步骤3.1：在正交表中添加仿真结果，根据仿真结果分别求出每个影响因素各水平的均值与极差，并绘制效果曲线图，得到各影响因素对正交试验指标的主次顺序；步骤3.2：分析试验数据得出不同管道结构参数对管道的最大应力和流体功率流波动幅值的影响程度，发现管道优化设计的重点，确定空间管道结构的最优组合。进一步的，步骤2中影响因素包括：管道内径、管道曲率半径及管道壁厚，通过改变步骤a中的管道内径、管道曲率半径及管道壁厚进行正交试验设计，正交试验设计中的管道材料属性和管内液压油参数及边界条件均与步骤a中相同。进一步的，步骤2中影响因素采用单因素方法确定。进一步的，正交试验表通过公式Ln(qp)计算生成，行数n、列数p、水平数q相互间关系如下：n＝qk，k＝2，3，4…，p＝(n-1)/(q-1)。进一步的，正交试验表中水平数q取3，k取3；管道内径分别设置为19mm、25mm、31mm；管道壁厚分别设置为3mm、4mm、5mm；管道曲率半径分别设置为50mm、75mm、100mm。原理与优势对振动进行分析时，传统方法一般采用速度或力等单一物理量作为衡量结构振动响应及传递的指标，往往忽略了它们之间的内在联系。本申请首次采用功率流对振动特性进行分析，功率流是单位时间结构消耗能量或者内外力做功的能力，功率流主要有以下五个优点：(1)功率流能同时结合力与速度；(2)用功率流方法，机构的振动传输机理容易理解；(3)可以知道结构系统内部能量分布；(4)可以对各种的振动控制原理进行解释；(5)能预测振动功率流的传递。管道性能不只是受某单个结构参数因素的影响，而是多个结构参数因素共同作用，故基础振动下管道的结构参数优化是一个多目标优化问题。由于管道的结构参数和管道振动性能之间具有很强的非线性，得出函数关系较为困难，故专利技术应用综合评分法建立优化目标与因素之间的数学模型。一项实验，经常需要多个指标来评定其效果。在这样的多指标的试验中，各个因数及其水平对实验指标的影响时不一致的，若单一地改变其中的某项因数，使得其中的某项指标得到改善，但同时会导致其他的指标会恶化。并且各项指标的趋势要求也不一样，有些指标要求值越大越好，有些则要求值越小越好。因此，多指标试验必须综合评估其最终试验结果，为此采用综合评分法进行优化。然而应用单因素方法方法分析管道结构参数对综合评分值的影响，会忽略各因素间的相互作用。因此，还需要考察各因素的交叉作用对试验结果的影响。为确定影响管道综合特性的结构参数因素主次顺序，确定最佳的管道结构参数组合，能够最大程度地提高管道的综合特性，本专利技术用正交试验法来对空间管道进行管道结构参数优化。综上所述，本专利技术针对空间管道建立双向流固耦合模型，根据综合评分法和正交实验法确定设计后管道的结构参数，以得到使管道综合性能最好的方案，从而减小强振动下空间管道的振动，提高管道系统的稳定性和安全性，并采用单因素方法对其进行最大应力和流体功率流分析，确定影响因素。附图说明图1为本专利技术强振动环境下空间管道减振设计方法的流程图；图2为本专利技术空间管道双向流固耦合仿真模型示意图；图3为管道曲率半径对管道最大应力的影响示意图；图4为管道内径对管道最大应力的影响示意图；图5为管道曲率半径对流体功率流的影响示意图；图6为管道曲率半径对流体功率流波动幅值的影响示意图；图7为管道内径对流体功率流的影响示意图；图8为管道壁厚对流体功率流的影响示意图；图9为因素水平与实验指标关系示意图；图10为设计前后管道应力对比示意图；图11为设计前后管道流体功率流对比示意图。具体实施方式下面将结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。参见图1，一种强振动环境下空间管道减振设计方法，包括如下步骤：步骤1：建立基础振动下空间管道双向流固耦合仿真模型；步骤2：对双向流固耦合仿真模型进行正交试验设计，具体过程为：步骤2.1：确定影响管道减振性能的因素；步骤2.2：对每个因素取水平，并根据水平数和影响因素计算生成正交试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种强振动环境下空间管道减振设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立基础振动下空间管道双向流固耦合仿真模型；步骤2：对双向流固耦合仿真模型进行正交试验设计；步骤3：对正交试验设计的正交试验结果进行分析，以确定空间管道结构的最优组合。

【技术特征摘要】
1.一种强振动环境下空间管道减振设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立基础振动下空间管道双向流固耦合仿真模型；步骤2：对双向流固耦合仿真模型进行正交试验设计；步骤3：对正交试验设计的正交试验结果进行分析，以确定空间管道结构的最优组合。2.根据权利要求1所述的强振动环境下空间管道减振设计方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：步骤2.1：确定影响管道减振性能的因素；步骤2.2：对每个因素取水平，并根据水平数和影响因素计算生成正交试验表；步骤2.3：根据所述正交试验表进行正交试验设计。3.根据权利要求2所述的强振动环境下空间管道减振设计方法，其特征在于：步骤3中，所述正交试验结果以管道的最大应力和流体功率流波动幅值为指标。4.根据权利要求3所述的强振动环境下空间管道减振设计方法，其特征在于：在步骤2前还包括对仿真模型进行空间管道结构参数、管道材料属性和管内液压油参数及边界条件进行初始设置并进行仿真计算，以获得初始试验结果的步骤a。5.根据权利要求4所述的强振动环境下空间管道减振设计方法，其特征在于：通过综合评分法对所述正交试验结果进行分析，具体包括：将正交试验结果中的指标数值与初始试验结果中相对应的指标数值的比值作为评判指标，按重要性程度不同给各评判指标赋予权数，再对各试验计算加权指标，化为单一指标问题。6.根据权利要求5所述的强振动环境下空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怀亮，赵丽娜，熊宇，瞿维，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43