圆形管道振动分析及实验研究

　　圆形管道在电力、石油化工、矿山等众多大中企业得到广泛应用,与此同时管系中存在流体脉动和管壁的结构振动,造成振动噪声环境污染,严重时导致管系或机器损坏。宁静的早晨拧开水龙头,常会听到隆隆的响声,这是日常生活中我们碰到管道振动的一个实例。本文简单地介绍了目前研究振动的方法、振动的机理以及生产实际中振动控制的常用方法。通过实验对理论推导的正确性加以验证,利用MASP编辑管道模型动态振型。

　　1 管道振动理论分析

　　研究管道振动方法主要有两种:振动分析法和波动分析法。

　　1.1 振动分析法

　　1.1.1 用有限元分析法进行振动分析

　　对气体管道系统,不考虑管壁和气体之间的耦合,管道的振动是由作用在管系上的周期怀激励力引起的受迫振动,其数学模型如图1所示。用有限元分析方法建立管系振动方程:

式中:Φjk--第j阶第k个自由度固有频率

　　Yjs--Φjk对应的力幅

　　1.1.2 输液管道和液体的耦联振动建立波方程:

　　假定在某一截面处有一扰动源p=p0e^iax,那么在无磨擦管道任意点x处压力、速度和振动源的压力、速度关系为:

　　考虑粘滞性液体运动时的摩擦阻力,当流速不大且振幅较小时,则液体的压力和速度为:

　　下面我们考虑管道弹性变形的影响,流速变化产生的Coridis惯性力对振动特性会影响。流体输送管道的自由振动的运动方程为:

　　1.2 频率)波数分析法

　　频率--波数分析法以振动数据的频率--波数谱为依据,对结构中振动波的传递特性进行分析。

　　1.2.1 真空中圆柱壳的波动分析

　　将波传播的形式代入Fliigge方程,可得三个关于系数Uns、Vns和Wns的代数方程

　　当圆柱壳自由振动时,由轴向力、有效周向剪力、有效径向剪力和弯矩所传播的功率流分别为PNx、PCx、PSx和PMx,壳体中总的功率流Pt为上述四个功率流之和。

　　1.2.2 充液圆柱壳受迫振动的能量流输入及传播

　　假定流体为无粘、无旋、各向同性的可压缩流体,流场用Helmholtz方程描述。根据流固耦合振动理论,在流体与结构的接触面上,流体径向位移必须等于结构的径向位移。

　　依据对称性,在x=L截面处,壳体中能量流与液体的能量流总和等于输入能量流的一半,流体所传播的能量流可以表示为:

　　2 管道振动控制研究

　　由式(2)可以看出,气体输送管道振动的大小主要取决于气流脉动激振力的大小和管系设计。管道内气流的压力和速度产生脉动,压力和速度脉动共同作用引起管道的振动,气流脉动通过管道系统的转弯或异径接头时,产生激振力f