基于ANSYS的管道振动模态分析

来源：CAE技术联盟微信公众号（ID：caejslm），作者：陈建宇等。

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在生产实践中，管道的强烈振动会使管路附件尤其是管道的连接部位、管道与附件的连接部位和管道与支架的连接部位等处发生磨损松动，在振动所产生的交变应力作用下导致疲劳破坏，从而发生管线断裂、介质外泄，甚至引起严重的生产事故，给生产和环境造成严重危害。因此，对出现强烈振动的管道，分析其产生原因并给出相应的减振措施，具有重大的经济效益和社会效益。

本文以注水系统配注管线的剧烈振动为例，利用大型结构分析软件ANSYS对管道进行建模并作出相应的模态分析。在得出低阶情况下结构固有频率和相应振型后与振动主频率比较，从而判断出在低阶情况下结构固有频率与振动主频率处于共振区，因而引起强烈振动。为避免结构固有频率和振动主频率的共振，有效地减轻管道的振动，采取在合适的位置施加位移约束的方法进行消振，并给出了验证。

一、管系简介

该管线为注水系统配注管线，管线的局部布局如图1所示，在ANSYS系统中为了计算方便将管线进行了简化（如图2），管线的弹性模量为206GPa，泊松比0.3。

图1 管线的局部布局

图2 ANSYS建模简化图

二、配注管线实测振幅、时域波形及频谱

测点1、2水平方向（振动最大方向）的振幅、时域波形和频谱：

图3 测点1的时域波形

图4 测点1的频谱

图5 测点2的时域波形

图6 测点2的频谱

由测得数据可知配注管线振动剧烈，测点1振幅为29.8mm/s，是标准11.2mm/s的2.7倍；测点2振幅145mm/s是标准11.2mm/s的12.9倍，测试的位移达到1073μm（峰-峰值），振动频率都是30.7Hz。

三、管道结构固有频率的计算

用ANSYS有限元分析软件对管道结构进行建模和模态分析，用梁空间单元Beam189对管道结构进行单元数划分，划分完网格的管线的有限元模型如图7所示。

图7 管线的有限元模型

按照实际的约束情况对管线的相关节点施加相应约束，施加完约束后的图形如图8所示。

图8 管线约束

运用Block Lanczos（分块）法对管线进行模态分析，得出管系结构的前5阶固有频率值（见表1）和相应频率下的振型图（如图9）。

图9 2阶固有频率及振型

表1 管线结构的前5阶固有频率

在工程上常把 (0.8~1.2) 的频率范围作为激发频率共振区，当管系机械固有频率落在激发频率共振区范围时将发生结构共振。

由表1和图9分析可知：

• 配注管线的振动频率30.7Hz对应的共振频率范围为24.56～36.84Hz，管系结构的第2阶固有频率 (33.688Hz)，刚好落在共振频率范围内，此时管道极易发生机械共振，产生剧烈的管道振动，这与实际测试的数值相一致。

• 由共振的理论可知，为了避免共振，应对管道进行合理的设计和改造，使管系的结构固有频率尽量避开与激发频率的共振区。

三、具体消振方案

从上面的分析可知，可以通过提高管系的结构固有频率来避开激发频率与结构固有频率的共振区，从而消减管道的振动。要想提高管系的结构固有频率，在不改变原有管系结构的情况下，最有效最便捷的措施便是施加有效约束，在本管系结构中，在管道中间处施加了一处约束。

图10 管线的新约束情况

施加新增约束条件后，再利用Block Lanczos（分块）法对管线进行模态分析，得出管系结构的前5阶固有频率值（见表2）。

表2 新约束条件下管线结构的前5阶固有频率

对比原约束和新约束条件下管线结构的前5阶固有频率可知，在施加约束后管线结构的固有频率有了明显提高，避开了与激发频率的共振区，对改善管道振动有很理想的效果。

五、结  论

通过以上分析，可得以下几点结论：

• 实践中经常遇到的管道振动主要原因之一是，因为管线结构的固有频率与激发频率共振引起的。

• 提高结构的固有频率值可以有效避免共振，而提高结构固有频率的一项有效便捷措施便是在合适的位置施加相应约束条件。通过施加新的约束条件后，管线结构的固有频率有了明显提高，从而避开了与激发频率的共振区，消减了由共振引起的剧烈振动。

• 所采取的措施简单易行，为实践中的此类问题提供了解决方法和理论基础。

• 文中所采用的ANSYS模态分析方法，在实际应用中得到了验证，从而为此类工程问题提供了一种新的分析方法和解决途径。