基于SolidWorks與ANSYS的輸水管路模態分析

李關章

摘 要：采用SolidWorks對該段管路進行三維建模，應用ANSYS分析軟件對該段管路系統不同工況進行振動模態分析，提取各階固有頻率，對管路振動固有頻率與激振頻率進行對比，使得固有頻率避開振源頻率，從管道結構有限元分析的角度來降低管系對外界激振力的響應。

關鍵詞：SolidWorks ANSYS 輸水管路 模態 支架

中圖分類號：TH113 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0089-02

管路在工業生產中應用非常廣泛，所處的工況對管路尺寸和管道布置的影響比較大。在投運前期，管路動態性能很難通過實際的測試獲取，需要通過多種途徑對其進行加固，往復的修改工作一方面會導致很多問題的發生；另一方面增加較大成本。管道振動會產生較大噪音，特別在管路的薄弱環節出現斷裂和泄露，引起嚴重生產事故，最終導致較大損失，因此用有效快捷的方式解決這一問題尤為重要。高壓管路的振動一般都是振源引起的，往往振源種類比較多，因此難以直接獲得管路振動頻率。本文是根據某企業內化水系統內高壓泵出口管道振動這一工程實例，利用SolidWorks對該管路進行建模，采用ANSYS分析軟件對該高壓管路進行模態分析，獲得該管路初始狀態和加固后管路的各階固有頻率，再通過對兩種情形下模態進行分析比較，采取合理的施工方案，有效避開振源頻率。

1 管系的簡單介紹

該管道為化水系統高壓泵出口管道，利用SolidWorks與ANSYS之間的數據交換提供的專用接口，實現數據的共享和交換[1]。該管路的彈性模量為EX=1.95e11MPa，泊松比PRXY=0.305，密度DENS=7870。

2 管道振動有限元動力學方程

管道振動體系的阻尼值非常小，對系統的自振頻率影響很小，所以在對管道結構進行模態分析計算其固有頻率和振型時，可以忽略阻尼在振型分析中的影響[2]，此時無外部載荷作用下系統的動力學方程可表示如下：

該方程存在非零解，式（1）為多自由度的動力學特征方程，由理論可知，它有n個根ω12，ω22，…ωn2，其中ωi是系統的第i階固有頻率。

3 管道結構的有限元分析

首先應用SolidWorks對該管道進行三維建模，再利用SolidWorks與ANSYS之間接口，將管件模型導入ANSYS軟件中，再使用ANSYS有限元分析軟件中的Solid單元20node186對管道進行定義，劃分網格及定義約束，分別對初始管道和加固后管道進行有限元分析，采用BLOCK LANCZOS方法對模型進行求解。

由于管路發生共振時，測得的頻率值在低階范圍內，一般只需計算其在振源范圍內的6階即可。取振源頻率范圍內6階固有頻率（表1）。

在工程上常把0.8～1.2的頻率范圍作為激發頻率的共振區。當管系結構的固有頻率落在激發頻率共振區范圍內時將發生結構共振，實際測試頻率為46.53Hz，配注管線的振動頻率30.7Hz對應的共振頻率范圍為40.39～52.67Hz[3]，對管路的振型分析可以看出，第五階振型在共振頻率范圍內。

在輸水管路系統中振源頻率一般情況并不高，因此，在對管道進行支架安裝時盡可能避開該管道共振頻率，從而消除管道對振源的響應，從圖1分析可知5階非常接近振源頻率，因此需要通過安裝支架方式來改變管道振動頻率特性。

對預施加支撐管道進行有限元分析，取前兩階振型，固有頻率參數和振型圖如表2、圖2所示。

由分析圖可知，通過安裝固定支撐可以使得管道模態頻率有效地避開源振動頻率，可以從根本上解決實際工作遇到的管道振動問題，通過后期施工測量，結果證明此方法可以應用到現場工作中去且能夠達到預期的效果。

4 結論

利用上述方法對管系的分析，可得以下結論。

（1）輸水管路的振動是管系的固有頻率與激振頻率共振產生的，振動的頻率是可以進行測定的，利用有限元分析軟件對現有管路進行分析，將得出的固有頻率與管路激振頻率進行對比分析，可以解決管路振動問題，該方法證明通過有限元分析來消除振動是可行的。

（2）在輸水管路上施加有效的約束條件，改變其固有頻率是比較有效的消振方法。對輸水管道振動的情況進行模態分析計算，可以計算出在該激振頻率下管路最大振幅，通過在該位置添加約束，可以起到最大的消振效果。該方法一方面為現場的施工提供了準確方向，另一方面在進行工作之前驗證施加約束的效果，確保設備的安全運行。

參考文獻

[1] 王在偉.SolidWorks與ANSYS之間的數據交換方法研究[J].煤礦機械，2011，32（9）：248-250.

[2] 武姣.電廠給水再循環管道振動特性分析[D].華北電力大學，2013.

[3] 陳建宇.基于ANSYS的注水系統管道振動模態分析[J].中國石油和化工標準與質量，2014（4）：70.endprint