一种管路系统高精度流致振动计算方法技术方案

本发明专利技术的目的在于提供一种管路系统高精度流致振动计算方法，其特征是：包括如下步骤：搭建流致振动分离实验台架，测量管路入口处的压力脉动；对管路系统进行三维流场建模并进行网格划分，对管路系统进行瞬态流场计算；对管路系统进行三维结构建模并进行网格划分，计算出管路系统的模态参数，通过模态对比进行刚度修正；提取管路内表面所有节点信息和载荷信息，以节点载荷形施加到有限元模型上；计算管路系统的振动响应，并对实际台架进行振动试，通过振动对比进行阻尼修正。本发明专利技术搭建了流致振动分离实验台架，降低了机械设备振动对流致振动测试的干扰，降低了管路系统计算模型的复杂程度。杂程度。杂程度。

【技术实现步骤摘要】
一种管路系统高精度流致振动计算方法


[0001]本专利技术涉及的是一种泵
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阀
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管路系统振动计算方法，具体地说是管路系统流致振动计算方法。

技术介绍

[0002]船舶动力系统是船舶实现能量转化和分配的全部机械设备和系统的综合体。近年来，随着船舶推进系统功率的逐渐增大和航速的逐步提高，动力系统的安全性问题也愈发值得关注。管路系统是船舶动力系统的重要的组成部分。管路系统由管道，动力机械，阀门等各种管路附件组成，是传递质量流，动量流，能量流的通道，主要作用为连接船舶主机、辅机等机械设备，完成燃料、氧气、冷却水等工作介质的输送，完成船舶动力系统的启动、运行以及制动等工作。管路系统运行的稳定性和可靠性是动力系统稳定运行的重要前提之一。
[0003]随着船舶朝着高航速、大功率的方向发展，管路系统的振动问题也愈发突出。然而，管路系统在工作过程中不可避免的会存在振动噪声问题。一方面，由于大多数机械设备会与水管、油管等管路系统连接，这样就会导致机械设备在工作过程中所产生的振动信号传递给管路系统，使得管路系统的振动加剧。另一方面，在管路系统工作过程中，泵、汽轮机组会产生复杂的外部激励，使得管内流体的流速、介质密度及所受压力等特性参数不可避免的发生变化。当这些特性参数呈周期性变化时便会产生流体的压力脉动，诱发管路系统发生强烈的振动。尤其当激振频率与管路系统的固有频率相等时，管路系统会出现强烈的共振现象。这不仅影响管路系统的正常工作，而且可能造成灾难性的后果。因此，进一步完善管路系统流致振动的计算方法，对未来管路系统的振动特性研究有着深远意义。
[0004]对于泵
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阀
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管路系统而言，离心泵是唯一动力设备。离心泵出口压力脉动是引起管路振动的主要激励源。模型的复杂性和试验方法的局限性给管路系统的振动问题增加了研究困难。除此之外，离心泵和阀门的机械振动也给管路系统的流致振动研究增加了一部分不确定性因素。因此，如何在设计实验时降低机械设备振动对管路系统流致振动测试的干扰，降低管路系统的复杂程度，修正计算模型的边界条件，是建立一套准确的管路系统的流致振动计算方法的重要前提。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供研究不同工况下流致振动特性，指导管路系统优化设计的一种管路系统高精度流致振动计算方法。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]本专利技术一种管路系统高精度流致振动计算方法，其特征是：
[0008](1)搭建流致振动分离实验台架，管路通过支撑架固结在地面，测量管路入口处的压力脉动；
[0009](2)对管路系统进行三维流场建模并进行网格划分，利用CEL语言将测得压力脉动编译至ANSYS CFX中入口压力处，并对管路系统进行瞬态流场计算；
[0010](3)对管路系统进行三维结构建模并进行网格划分，利用ANSYS计算出管路系统的模态参数，并对实际台架进行模态测试，通过模态对比进行刚度修正；
[0011](4)提取管路内表面所有节点信息和载荷信息，将其映射到ANSYS的节点信息上，并以节点载荷形施加到有限元模型上；
[0012](5)通过谐响应分析方法，计算管路系统的振动响应，并对实际台架进行振动试，通过振动对比进行阻尼修正。
[0013]本专利技术还可以包括：
[0014]1、步骤(1)中，管路系统通过均匀分布的5个支撑架固结在地面，管路与支撑架的之间采用刚性连接，在管路系统进出口处采用挠性软管连接。
[0015]2、步骤(2)中，进口采用总压边界条件即介质的静压和动压之和，出口采用给定流量边界，并指定流动方向和流量大小，当稳态仿真收敛后，用获得的稳态计算结果初始化瞬态仿真模拟，通过对实验测得的离心泵出口压力脉动进行快速傅里叶变换，得到其频域结果，并选取峰值较高的频率点的幅值和相位，拟合成管路入口压力变化函数，通过编写入口压力随时间变化的CEL语言，以此来模拟管路入口压力的波动情况，设定管路入口压力函数由如下公式得到：
[0016]P＝P0+P
f
·
sin(2
·
π
·
f+θ)
[0017]式中，P0为平均压力，P
f
为波动压力的幅值，即实际压力波动由一个直流量与一个交流量构成。
[0018]3、步骤(3)中，对管路系统进行三维结构建模，搭建最终的管路系统仿真模型与实际模型相对应，管路模型为薄壳结构，抽取管路内表面，采用四边形网格对其进行网格划分，并赋予SHELL181壳单元，进出口管路以及管路支架连接处采用rigid单元模拟，两个节点之间建立spring弹簧，并同时赋予弹簧Combine 14单元属性，一端节点由管路生成，另一端建立以节点并约束6个自由度，利用ANSYS计算出管路系统的模态参数，并对实际台架进行模态测试，根据两者结果对比的差异性，修正结构有限元模型。
[0019]4、步骤(4)中，首先，确保CFD和有限元模型的几何尺寸和网格拓扑结构保持一致，并提取CFD模型中的管路内表面所有节点信息和载荷信息以及有限元模型中的节点信息；然后，将CFD模型中的节点信息映射到有限元模型的节点信息上，并将载荷信息和节点映射信息进行合并处理，从而得到有限元计算所需要的载荷信息；最后，对时域的载荷信息进行傅里叶变化，并提取傅里叶变换后载荷信息的实部和虚部，得到ANSYS中所需要的频域载荷，进而以节点载荷形式通过APDL施加到ANSYS的固体结构网格模型中。
[0020]本专利技术的优势在于：
[0021]1、搭建流致振动分离实验台架，降低了机械设备振动对流致振动测试的干扰。
[0022]2、建立了一套管路系统的流致振动的计算方法，通过结合实验数据，降低了管路系统计算模型的复杂程度。
[0023]3、CEL语言与ANSYS CFX商业计算软件结合，满足标准界面无法满足的功能。
附图说明
[0024]图1为流致振动分离实验台架示意图；
[0025]图2为管路系统简化模型示意图；
[0026]图3a为模型修正流程图(模态修正)，图3b为模型修正流程图(振动修正)；
[0027]图4为流固耦合流程图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：
[0029]结合图1
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4，本专利技术方法主要用于管路系统的流致振动计算，结合流致振动分离实验，建立管路系统流固耦合计算模型，具体的实现方式如下：
[0030]步骤一：搭建流致振动分离实验台架，管路通过支撑架固结在地面，其进出口处采用挠性软管连接，并测量管路入口处的压力脉动；
[0031]管路系统通过均匀分布的5个支撑架固结在地面，为加强管路的稳定性，管路与支撑架的之间采用刚性连接。在管路系统进出口处采用挠性软管连接，以减弱离心泵和阀门的机械振动对管路系统流致振动的影响。
[0032]步骤二：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管路系统高精度流致振动计算方法，其特征是：(1)搭建流致振动分离实验台架，管路通过支撑架固结在地面，测量管路入口处的压力脉动；(2)对管路系统进行三维流场建模并进行网格划分，利用CEL语言将测得压力脉动编译至ANSYS CFX中入口压力处，并对管路系统进行瞬态流场计算；(3)对管路系统进行三维结构建模并进行网格划分，利用ANSYS计算出管路系统的模态参数，并对实际台架进行模态测试，通过模态对比进行刚度修正；(4)提取管路内表面所有节点信息和载荷信息，将其映射到ANSYS的节点信息上，并以节点载荷形施加到有限元模型上；(5)通过谐响应分析方法，计算管路系统的振动响应，并对实际台架进行振动试，通过振动对比进行阻尼修正。2.根据权利要求1所述的一种管路系统高精度流致振动计算方法，其特征是：步骤(1)中，管路系统通过均匀分布的5个支撑架固结在地面，管路与支撑架的之间采用刚性连接，在管路系统进出口处采用挠性软管连接。3.根据权利要求1所述的一种管路系统高精度流致振动计算方法，其特征是：步骤(2)中，进口采用总压边界条件即介质的静压和动压之和，出口采用给定流量边界，并指定流动方向和流量大小，当稳态仿真收敛后，用获得的稳态计算结果初始化瞬态仿真模拟，通过对实验测得的离心泵出口压力脉动进行快速傅里叶变换，得到其频域结果，并选取峰值较高的频率点的幅值和相位，拟合成管路入口压力变化函数，通过编写入口压力随时间变化的CEL语言，以此来模拟管路入口压力的波动情况，设定管路入口压力函数由如下公式得到：P＝P0+P
f...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玩幽，于涛，王曦，何家璇，简洁，孟长霖，率志君，郭宜斌，王东华，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：