固支管子模态分析

固支管子模态分析

1 问题描述

有一不锈钢管子，长20m，内径0.5m，管厚0.025m，两端固定支撑，求其不同环境下的固有频率及振型：

（1）    在空气中；

（2）    管内管外充满水；

（3）    仅管内充满水；

（4）    仅管外充满水。

对于管子在空气中的固有频率，根据材料力学知识，容易得到其固有频率为

其中，特征根值βrL为

表1 固支梁的特征根值

当r≥2时，各个特征根可近似地表示为

把管子各参数代入，得

表2 管子固有频率

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2 分析过程

为了对比不同环境下管子的固有频率结果，管子统一采用实体模型并划分相同的尺寸，具体模型网格如图1所示。整体流体域及固体域模型总共42661个节点，21038单元，网格平均偏度为0.423。

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图1 模型网格

图2 网格质量

在act插件出现以前，在workbench中做湿模态分析需要插入命令流把流体域的实体186单元修改成流体220单元、实体187单元修改成流体221单元，同时通过设置keyopt打开流固耦合面上流体单元的流固耦合功能，定义流体的密度以及声音在流体的速度，设置流体域外表面的压力边界为0，采用非对称求解器来求解。

act插件出现后，直接把命令流集成在菜单栏中，操作更方便。

图3 act插件菜单栏

3 结果讨论

在空气中的模拟结果如下：

不同环境下模拟得到管子振型均相同，前三阶固有频率如表3所示。

管子在流体中的振型与在空气中的振型一致，在流体中的固有频率比在空气中低；不同环境下得到的管子各阶固有频率之间的比值一致，均为。

同理，可以模拟多根不同布置方式的管子在不同约束条件、不同流体环境下的固有频率及振型。

 作者：钟伟良，中石化广州工程有限公司