基于有限元方法的管道流致振动计算及验证

苗碧琪，蒋庆磊，李元姣，包彬彬

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430000）

摘  要 ：基于有限元方法对管道流致振动进行了仿真计算，首先通过计算模态和实测模态的对比，不断调整管道模型约束条件，使之能和现场情况一致。最后通过Ansys瞬态动力学计算功能求解管道模型在瞬态力作用下的响应，得到计算时域波形和计算频谱，将之分别与实测时域波形和实测频谱对比，从对比结果可以看出，时域上计算和实测振动幅值在同一个数量级，且趋势一致，频域上计算和实测频谱结构相似。结果表明，该计算方法合理，对管道流致振动治理具有重要的工程意义。

关键词 ：有限元、约束条件、流致振动、模态、瞬态动力学  

中图法分类号：TK37；   文献标志码： A

Calculation& Verification of Pipeline’Flow Induced Vibration based on FEM

MIAO Bi-qi, JIANG Qing-lei, Li Yuan-jiao, Bao Bin-bin

 （China Nuclear Power Operation Technology Corporation,Wuhan 430223, China）

[Abstract] Based on the FEM, the flow induced vibration of the pipeline is simulated. First, by comparing the calculated mode with the measured one, the constraint conditions of the pipeline calculated model are adjusted to make it consistent with the measured one. Finally, the Ansys transient dynamics calculation method is used.Compared with the measured waveform and measured spectrum respectively, it can be seen that,the calculated and measured vibration amplitudes in the time domain are on the same order of magnitude, and the trends are the same. Also,the calculated and measured spectral structures in the frequency domain are similar. In a word, the calculation method is resonnable,and it can be used for solving the problem from the flow induced vibration of pipeline.

 [Keywords]  FEM; Constraints;Flow-induced vibration; Modal;Transient dynamics

管道流致振动一直以来都是困扰电厂生产的难题，同时也是工程改造的重点关注对象，然而由于其本身影响因素众多，加上现场情况的复杂性，导致处理措施往往难以制定。

针对管道振动的治理措施，目前主要是从降低激励和增加管道刚度两个角度来解决。从降低激励的角度考虑，需要对激励源，即阀门等节流件的缩颈部分等阻力件进行改造，降低激励的大小。从增加管道刚度的角度考虑，需要通过改变或增加支撑等外部手段减小振动激励对管道的影响。而上述工作，都需要我们对流动状态及激励产生的原因有深入的研究，同时有可靠手段对不同激励源所产生的激励及振动变化情况进行预测和分析。

为了验证如何应用瞬态动力学方法对管道流致振动进行仿真模拟，本文将首先根据模态计算和实验测量的结果对比，调整有限元模型，最后通过瞬态动力学方法计算管道的流致振动，通过和实测结果的比对，验证其合理性。

1  有限元模型建立及修正

模态分析用于确定结构的固有频率和振型。固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。由于固有频率和振型是结构的固有属性，所以可以通过模态分析的结果来验证有限元模型的准确性。理论与实践表明，阻尼对结构的固有频率和振型影响不大。结构的无阻尼自由振动方程为：

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