基于SolidWorks与ANSYS的输水管路模态分析

李关章

摘 要：采用SolidWorks对该段管路进行三维建模，应用ANSYS分析软件对该段管路系统不同工况进行振动模态分析，提取各阶固有频率，对管路振动固有频率与激振频率进行对比，使得固有频率避开振源频率，从管道结构有限元分析的角度来降低管系对外界激振力的响应。

关键词：SolidWorks ANSYS 输水管路 模态 支架

中图分类号：TH113 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0089-02

管路在工业生产中应用非常广泛，所处的工况对管路尺寸和管道布置的影响比较大。在投运前期，管路动态性能很难通过实际的测试获取，需要通过多种途径对其进行加固，往复的修改工作一方面会导致很多问题的发生；另一方面增加较大成本。管道振动会产生较大噪音，特别在管路的薄弱环节出现断裂和泄露，引起严重生产事故，最终导致较大损失，因此用有效快捷的方式解决这一问题尤为重要。高压管路的振动一般都是振源引起的，往往振源种类比较多，因此难以直接获得管路振动频率。本文是根据某企业内化水系统内高压泵出口管道振动这一工程实例，利用SolidWorks对该管路进行建模，采用ANSYS分析软件对该高压管路进行模态分析，获得该管路初始状态和加固后管路的各阶固有频率，再通过对两种情形下模态进行分析比较，采取合理的施工方案，有效避开振源频率。

1 管系的简单介绍

该管道为化水系统高压泵出口管道，利用SolidWorks与ANSYS之间的数据交换提供的专用接口，实现数据的共享和交换[1]。该管路的弹性模量为EX=1.95e11MPa，泊松比PRXY=0.305，密度DENS=7870。

2 管道振動有限元动力学方程

管道振动体系的阻尼值非常小，对系统的自振频率影响很小，所以在对管道结构进行模态分析计算其固有频率和振型时，可以忽略阻尼在振型分析中的影响[2]，此时无外部载荷作用下系统的动力学方程可表示如下：

该方程存在非零解，式（1）为多自由度的动力学特征方程，由理论可知，它有n个根ω12，ω22，…ωn2，其中ωi是系统的第i阶固有频率。

3 管道结构的有限元分析

首先应用SolidWorks对该管道进行三维建模，再利用SolidWorks与ANSYS之间接口，将管件模型导入ANSYS软件中，再使用ANSYS有限元分析软件中的Solid单元20node186对管道进行定义，划分网格及定义约束，分别对初始管道和加固后管道进行有限元分析，采用BLOCK LANCZOS方法对模型进行求解。

由于管路发生共振时，测得的频率值在低阶范围内，一般只需计算其在振源范围内的6阶即可。取振源频率范围内6阶固有频率（表1）。

在工程上常把0.8～1.2的频率范围作为激发频率的共振区。当管系结构的固有频率落在激发频率共振区范围内时将发生结构共振，实际测试频率为46.53Hz，配注管线的振动频率30.7Hz对应的共振频率范围为40.39～52.67Hz[3]，对管路的振型分析可以看出，第五阶振型在共振频率范围内。

在输水管路系统中振源频率一般情况并不高，因此，在对管道进行支架安装时尽可能避开该管道共振频率，从而消除管道对振源的响应，从图1分析可知5阶非常接近振源频率，因此需要通过安装支架方式来改变管道振动频率特性。

对预施加支撑管道进行有限元分析，取前两阶振型，固有频率参数和振型图如表2、图2所示。

由分析图可知，通过安装固定支撑可以使得管道模态频率有效地避开源振动频率，可以从根本上解决实际工作遇到的管道振动问题，通过后期施工测量，结果证明此方法可以应用到现场工作中去且能够达到预期的效果。

4 结论

利用上述方法对管系的分析，可得以下结论。

（1）输水管路的振动是管系的固有频率与激振频率共振产生的，振动的频率是可以进行测定的，利用有限元分析软件对现有管路进行分析，将得出的固有频率与管路激振频率进行对比分析，可以解决管路振动问题，该方法证明通过有限元分析来消除振动是可行的。

（2）在输水管路上施加有效的约束条件，改变其固有频率是比较有效的消振方法。对输水管道振动的情况进行模态分析计算，可以计算出在该激振频率下管路最大振幅，通过在该位置添加约束，可以起到最大的消振效果。该方法一方面为现场的施工提供了准确方向，另一方面在进行工作之前验证施加约束的效果，确保设备的安全运行。

参考文献

[1] 王在伟.SolidWorks与ANSYS之间的数据交换方法研究[J].煤矿机械，2011，32（9）：248-250.

[2] 武姣.电厂给水再循环管道振动特性分析[D].华北电力大学，2013.

[3] 陈建宇.基于ANSYS的注水系统管道振动模态分析[J].中国石油和化工标准与质量，2014（4）：70.endprint