混凝土濕噴機S管道固液耦合分析

湯正翔

摘? 要：S管道是一種廣泛用于混凝土濕噴機的關鍵部件，它的性能直接影響混凝土濕噴機這類混凝土機械的使用性能。本文使用ANSYS 有限元分析軟件計算了兩種邊界條件下充液、充氣S管道的模態頻率，得到各個結構參數的靈敏度。并且分析了第一階模態頻率對靈敏度的影響，為S管道的防共振使用提供了參考，并為S管道的優化設計提供了理論依據。

關鍵詞：S管道? 固液耦合? 靈敏度? 防共振

中圖分類號：TU643 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（a）-0038-04

Fluid-structure Interaction Analysis of Concrete Wet Jet S-type Tube Valve

TANG Zhengxiang

（Sany Automobile Manufacturing Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 410100 China）

Abstract： S-type tube valve is one of the key components widely used in concrete machinery. Its property can directly affect the performance of this kind of machines such as spraying concrete machine. The modal analysis of S-type pipe system filled with liquid and gas is carried out under two different boundary conditions. At the same time the natural frequency are calculated by using ANSYS software and get the sensitivity of all the structural parameters. By analysising the first natural frequency offers the anti-resonance reference for the S-type tube valve use ， also provides the theoretical basis for the optimal design of the S-type tube valve.

Key Words： S-Type tube valve; Fluid-structure interaction; Sensitivity; Anti-resonance

1? 引言

混凝土濕噴機是廣泛使用于地下工程、隧道和礦井中的混凝土施工設備，它的使用是巷道或隧道等內部工程混凝土施工方法的新工藝。而S型管閥是置于集料斗內，一端與輸送管相連，另一端繞軸擺動，與兩個混凝土輸送缸交替對接，從而將混凝土從料斗泵送到輸送管另一端[1]。S型管閥的固有頻率和換向的頻率大小將影響混凝土在管道中的流動。共振在不同領域中一直是一個比較棘手的工程問題，在不同環境下，要求管道系統的激振力頻率遠離固有頻率，防止共振問題產生。S管是最具代表性的一種管道流體輸送系統， 在眾多工業領域得到廣泛應用。流動的固液混合體在管路系統流動過程中由于各種原因不可避免將產生的非定常流動，而流體這種流動一定會導致管道的結構變形或者振動等情況，從而管道結構的變形反作用管內流體的流動狀態，這種流動的固液混合體與結構相互作用的現象稱為流固耦合[2]。本文應用有限元軟件ANSYS 模擬S管道的流固耦合的現象， 并對S管道進行流固耦合模態分析。計算結果表明， 流固耦合作用對S管道系統的運行有重大影響。

2? 流固耦合的有限元方程

ANSYS軟件中有7種模態提取方法可以選擇，其中適用于S管道的流固耦合計算模態問題的是傳遞矩陣法。幾何尺寸及材料參數如下，管長600mm，外徑62.5mm，內徑61.5mm。彈性模量210GPa，泊松比為0.3，密度為9000kg/m3。管內為混凝土，密度2780kg/m3，聲速1200m/s。邊界條件設定，S管道充滿液體，保持靜止不動。應用ANSYS進行分析，仿真S管道的模態情況，改變參數，模擬有空氣時S管道的模態情況，二者進行對比。取值空氣的密度為1.3kg/m3，正常情況下聲速為400m/s。由于構件質量的分布和剛度的分布決定了結構的固有頻率，采用映射網格法劃分單元可減少誤差，其中S管結構采用Solid45單元，液體（水）采用Fluid30單元，軟件計算得到S管道分別充滿液體和充滿空氣時系統的模態，見表1。從表1可以看出，充氣S管道與固液耦合作用可以忽略不計，混凝土固體與液體的固液耦合作用使得S管道的模態頻率降低。這與Jaeger[3]的結論一致。。

3? 結構參數對固有頻率的影響

結構靈敏度分析最常用的是攝動法和導數法等，而蒙特卡洛模擬法是基于這兩種方法基礎上衍生出來的。應用該方法分析管道結構的固有頻率，可以假設充液S管道系統的固有頻率，為基本隨機變量的向量，則變量對固有頻率的靈敏度估計的計算公式為：

（1）

靈敏度平均值? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

標準差為：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中為蒙特卡洛抽樣法按由小到大順序排列后的第j列抽樣序列，為第j列計算得到的固有頻率，為第j+1列抽樣所計算得到的充液S管道系統固有頻率。

對充液S管道一階固有頻率進行靈敏度分析，改變5個變量對2個參數的變化靈敏度。檢測方法為：采用局部靈敏度分析，后一個參數是前一個參數的1/20，考察2個參數對6個變量的影響。依據式（1），每一個狀變量可以有32個靈敏度， 32個靈敏度對應32個數值。

假設充液管道系統的輸入變量參數如表2，輸出變量為S管道系統的一階固有頻率，選擇蒙特卡洛響應法作為分析方法，模擬次數為64次。由ANSYS計算得到各基本輸入變量對一階固有頻率分布圖如圖1。

從圖1可以看出充液管道系統的一階固有頻率大概服從正態分布，由有限元的分析可知道一階段固有頻率的均值0.39Hz，標準差為0.1557。由ANSYS計算得到各基本輸入變量對一階固有頻率的靈敏度分布圖如圖2，在滿足均值5%的正態分布條件下，S管道系統的管道半徑對系統的固有頻率影響最大、其次是管道中流體的速度，管道的彈性模量、壁厚也對系統的固有頻率有重要影響，其中S管道的密度以及液體的密度對系統固有頻率影響很小。S管道的固有頻率隨著管徑的增大、流速的增加、彈性模量的減小、壁厚的變薄而下降。

4? 防共振可靠性

可靠性是一個處于不確定因素環境下的安全問題。管道結構在使用時，受到靜載、氣動載荷、沖擊和振動等作用，當作用于物體的激勵頻率和物體的固有頻率接近時，就會產生共振，會對結構造成嚴重的疲勞破壞[4-6]。濕噴機中S管道的換向頻率為0.21～0.41Hz，與充液管道系統的一階固有頻率接近，會產生共振。由于管道的物理性質一般是無法改變的，根據圖3的靈敏度分布圖，通過改變S管道內的流體速度來改變管道的固有頻率，從而避免共振的發生。取S管道彈性模量210e9GPa、管道密度9000kg/m3，管道外半徑62.5mm、管道壁厚10mm、液體密度2870kg/m3，改變管內流體的速度，對其進行ANSYS仿真。

得到流速和一階固有頻率關系，如圖3。

從圖3中可以看出，流體速度大于5m/s或者小于 3m/s，S管道的固有頻率就可以避開0.21～0.41Hz，從而避免共振的產生。

5? 結論

本文以濕噴機中S管道為研究對象，考慮液體和管道的流固耦合作用，應用ANSYS軟件對其進行模態分析，得到各個結構參數對S管道的靈敏度，并通過對結構參數的靈敏度分析，得到以下結論：

（1）S管道系統的管道半徑對系統的固有頻率影響最大、其次是管道中流體的速度，管道的彈性模量、壁厚也對系統的固有頻率有重要影響，其中S管道的密度以及液體的密度對系統固有頻率影響很小。

（2）S管道中流體速度大于5m/s或者小于3m/s時，S管道的固有頻率就可以避開0.21～0.41Hz，從而避免共振的產生。

參考文獻

[1] 趙翔.混凝土濕噴機組控制系統設計與開發[D].西安：西安交通大學，2017.

[2] 胡炳濤基于流固耦合的彎管沖蝕失效數值模擬和優化設計[D].徐州：中國礦業大學，2019.

[3] Jaeger C. The theory of resonance in hydropower systems. Discussion of incidents and accidents ocurring in pressure systems. ASME Journal of Basic Engineering，2017，85：631-640.

[4] 何水清，王善.結構可靠性分析與設計[M].北京：國防工業出版社，2018.

[5] Wanxin He， Peng Hao， Gang Li.A novel approach for reliability analysis with correlated variables based on the concepts of entropy and polynomial chaos expansion.[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2020.11.

[6] R. Umamaheswari，S. Chitra，D. Kavitha.Reliability analysis and dynamic maintenance model based on fuzzy degradation approach[J].Soft Computing，2020.10.26.