基于能量有限元法的损伤充液管道振动分析
发布时间：2021-10-23 16:43
管道结构在服役期间会出现各种形式的损伤,其结构动力学参数和能量传播形式也会随之产生一定的变化,根据充液管道的动力学方程,推导得到了充液管道振动的能量平衡方程和能量有限元方程。分别采用能量有限元法和有限元法对充液管道的能量密度进行了计算和对比,验证了能量有限元法求解充液管道振动响应的准确性。在此基础上建立了基于能量密度变化和能量流变化的两个损伤指标,讨论了单元受损后的刚度变化和阻尼变化对能量流指标的影响,算例表明基于能量流变化的指标能够有效地识别充液管道结构的损伤部位。研究为基于能量有限元法预报充液管道的振动和基于该方法识别输流管道的损伤提供了理论基础。
【文章来源】：振动与冲击. 2019,38(21)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
能量有限元模型示意图Fig．1Energyfiniteelementmodel
管内流体密度ρf为980kg/m3。在管道中心处输入一激励功率为2．7×10－4W，激励频率为8000Hz的激励力。参考能量密度值取为1×10－13J/m。其中，EFEA模型划分单元数为10，形函数取n=3的Lagrange插值函数，如图1所示。有限元模型在ANSYSWorkbench中建立，其中FEA模型中模拟管道的三维体单元共58798个，如图2所示，流体单元18706单元，如图3所示。设置流固耦合属性，并求解在简谐激励下的稳态响应。图1能量有限元模型示意图Fig．1Energyfiniteelementmodel图2常规有限元管道单元网格划分图Fig．2FEAgridplotofpipeelement图3常规有限元流体单元网格划分图Fig．3FEAgridplotoffluidelement需要注意能量有限元模型和传统有限元模型的网格划分原则不同，传统有限元由于捕捉频率较高的振动响应时，单元尺寸小，网格规模大。而能量有限元方法求解得到的能量密度是对时间和空间进行平均之后得到的相对平滑的解。因此可将传统有限元法计算得到的各节点处位移解，按照其本身波长选取合适的长度进行局部平均，得到与能量有限元法计算对应的节点处能量密度值。将两种方法求得的能量密度进行对比，得到充液管道沿着管道长度方向分布的能量密度图，如图4所示。从图4中，EFEA得到的各节点能量密度分布与FEA得到的各节点能量密度分布吻合较好，从而验证了本文建立的充液管道能量有限元方程的正确性。这为后文分析损伤管道的振动特性提供了基础。图4两种方法沿管道长度方向能量密度分布的结果对比Fig．4Energydensitydistributionalongthepipelength2．2损伤充液管道的振动分析2．2．1损伤单元刚
管内流体密度ρf为980kg/m3。在管道中心处输入一激励功率为2．7×10－4W，激励频率为8000Hz的激励力。参考能量密度值取为1×10－13J/m。其中，EFEA模型划分单元数为10，形函数取n=3的Lagrange插值函数，如图1所示。有限元模型在ANSYSWorkbench中建立，其中FEA模型中模拟管道的三维体单元共58798个，如图2所示，流体单元18706单元，如图3所示。设置流固耦合属性，并求解在简谐激励下的稳态响应。图1能量有限元模型示意图Fig．1Energyfiniteelementmodel图2常规有限元管道单元网格划分图Fig．2FEAgridplotofpipeelement图3常规有限元流体单元网格划分图Fig．3FEAgridplotoffluidelement需要注意能量有限元模型和传统有限元模型的网格划分原则不同，传统有限元由于捕捉频率较高的振动响应时，单元尺寸小，网格规模大。而能量有限元方法求解得到的能量密度是对时间和空间进行平均之后得到的相对平滑的解。因此可将传统有限元法计算得到的各节点处位移解，按照其本身波长选取合适的长度进行局部平均，得到与能量有限元法计算对应的节点处能量密度值。将两种方法求得的能量密度进行对比，得到充液管道沿着管道长度方向分布的能量密度图，如图4所示。从图4中，EFEA得到的各节点能量密度分布与FEA得到的各节点能量密度分布吻合较好，从而验证了本文建立的充液管道能量有限元方程的正确性。这为后文分析损伤管道的振动特性提供了基础。图4两种方法沿管道长度方向能量密度分布的结果对比Fig．4Energydensitydistributionalongthepipelength2．2损伤充液管道的振动分析2．2．1损伤单元刚
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于能量有限元法的损伤板结构振动分析[J]. 王迪,朱翔,李天匀,高双,衡星. 振动与冲击. 2017(11)
[2]多种激励形式下任意角度耦合板振动传递特性研究[J]. 葛月,牛军川,刘知辉. 机械工程学报. 2017(07)
[3]基于振动分析的机械结构损伤识别方法综述[J]. 周祥,张袁元. 机械工程与自动化. 2017(01)
[4]能量有限元预示复合材料结构动响应研究进展[J]. 解妙霞,郭瑞峰,李丽霞,张林杰. 力学与实践. 2016(04)
[5]能量有限元在振动与噪声预示中的研究进展[J]. 原凯,王建民,韩丽,秦朝红. 强度与环境. 2015(03)
[6]复杂机械结构中高频动响应能量有限元方法研究[J]. 祝丹晖,解妙霞,孔祥杰,张文博,陈花玲. 中国工程科学. 2013(01)
[7]基于有限元的损伤结构功率流可视化研究[J]. 朱翔,李天匀,赵耀,刘敬喜. 机械工程学报. 2009(02)
[8]水下悬跨管道动力响应分析[J]. 包日东,闻邦椿. 振动与冲击. 2007(08)
[9]功率流理论、统计能量分析和能量有限元法之间的关联性[J]. 殷学文,崔宏飞,顾晓军,黄捷,沈荣瀛. 船舶力学. 2007(04)
[10]分析弹性支承输流管道的失稳临界流速[J]. 包日东,闻邦椿. 力学与实践. 2007(04)
博士论文
[1]输流管道的稳定性、分岔与混沌行为研究[D]. 王琳.华中科技大学 2006
[2]能量有限元法研究及其应用[D]. 孙丽萍.哈尔滨工程大学 2004
硕士论文
[1]基于能量有限元方法的封闭耦合结构动力学特性研究[D]. 刘知辉.山东大学 2017
[2]能量有限元分析法的研究及其在复合材料层合板中的应用[D]. 杨旸.宁波大学 2013
本文编号：3453532
【文章来源】：振动与冲击. 2019,38(21)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
能量有限元模型示意图Fig．1Energyfiniteelementmodel
管内流体密度ρf为980kg/m3。在管道中心处输入一激励功率为2．7×10－4W，激励频率为8000Hz的激励力。参考能量密度值取为1×10－13J/m。其中，EFEA模型划分单元数为10，形函数取n=3的Lagrange插值函数，如图1所示。有限元模型在ANSYSWorkbench中建立，其中FEA模型中模拟管道的三维体单元共58798个，如图2所示，流体单元18706单元，如图3所示。设置流固耦合属性，并求解在简谐激励下的稳态响应。图1能量有限元模型示意图Fig．1Energyfiniteelementmodel图2常规有限元管道单元网格划分图Fig．2FEAgridplotofpipeelement图3常规有限元流体单元网格划分图Fig．3FEAgridplotoffluidelement需要注意能量有限元模型和传统有限元模型的网格划分原则不同，传统有限元由于捕捉频率较高的振动响应时，单元尺寸小，网格规模大。而能量有限元方法求解得到的能量密度是对时间和空间进行平均之后得到的相对平滑的解。因此可将传统有限元法计算得到的各节点处位移解，按照其本身波长选取合适的长度进行局部平均，得到与能量有限元法计算对应的节点处能量密度值。将两种方法求得的能量密度进行对比，得到充液管道沿着管道长度方向分布的能量密度图，如图4所示。从图4中，EFEA得到的各节点能量密度分布与FEA得到的各节点能量密度分布吻合较好，从而验证了本文建立的充液管道能量有限元方程的正确性。这为后文分析损伤管道的振动特性提供了基础。图4两种方法沿管道长度方向能量密度分布的结果对比Fig．4Energydensitydistributionalongthepipelength2．2损伤充液管道的振动分析2．2．1损伤单元刚
管内流体密度ρf为980kg/m3。在管道中心处输入一激励功率为2．7×10－4W，激励频率为8000Hz的激励力。参考能量密度值取为1×10－13J/m。其中，EFEA模型划分单元数为10，形函数取n=3的Lagrange插值函数，如图1所示。有限元模型在ANSYSWorkbench中建立，其中FEA模型中模拟管道的三维体单元共58798个，如图2所示，流体单元18706单元，如图3所示。设置流固耦合属性，并求解在简谐激励下的稳态响应。图1能量有限元模型示意图Fig．1Energyfiniteelementmodel图2常规有限元管道单元网格划分图Fig．2FEAgridplotofpipeelement图3常规有限元流体单元网格划分图Fig．3FEAgridplotoffluidelement需要注意能量有限元模型和传统有限元模型的网格划分原则不同，传统有限元由于捕捉频率较高的振动响应时，单元尺寸小，网格规模大。而能量有限元方法求解得到的能量密度是对时间和空间进行平均之后得到的相对平滑的解。因此可将传统有限元法计算得到的各节点处位移解，按照其本身波长选取合适的长度进行局部平均，得到与能量有限元法计算对应的节点处能量密度值。将两种方法求得的能量密度进行对比，得到充液管道沿着管道长度方向分布的能量密度图，如图4所示。从图4中，EFEA得到的各节点能量密度分布与FEA得到的各节点能量密度分布吻合较好，从而验证了本文建立的充液管道能量有限元方程的正确性。这为后文分析损伤管道的振动特性提供了基础。图4两种方法沿管道长度方向能量密度分布的结果对比Fig．4Energydensitydistributionalongthepipelength2．2损伤充液管道的振动分析2．2．1损伤单元刚
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于能量有限元法的损伤板结构振动分析[J]. 王迪,朱翔,李天匀,高双,衡星. 振动与冲击. 2017(11)
[2]多种激励形式下任意角度耦合板振动传递特性研究[J]. 葛月,牛军川,刘知辉. 机械工程学报. 2017(07)
[3]基于振动分析的机械结构损伤识别方法综述[J]. 周祥,张袁元. 机械工程与自动化. 2017(01)
[4]能量有限元预示复合材料结构动响应研究进展[J]. 解妙霞,郭瑞峰,李丽霞,张林杰. 力学与实践. 2016(04)
[5]能量有限元在振动与噪声预示中的研究进展[J]. 原凯,王建民,韩丽,秦朝红. 强度与环境. 2015(03)
[6]复杂机械结构中高频动响应能量有限元方法研究[J]. 祝丹晖,解妙霞,孔祥杰,张文博,陈花玲. 中国工程科学. 2013(01)
[7]基于有限元的损伤结构功率流可视化研究[J]. 朱翔,李天匀,赵耀,刘敬喜. 机械工程学报. 2009(02)
[8]水下悬跨管道动力响应分析[J]. 包日东,闻邦椿. 振动与冲击. 2007(08)
[9]功率流理论、统计能量分析和能量有限元法之间的关联性[J]. 殷学文,崔宏飞,顾晓军,黄捷,沈荣瀛. 船舶力学. 2007(04)
[10]分析弹性支承输流管道的失稳临界流速[J]. 包日东,闻邦椿. 力学与实践. 2007(04)
博士论文
[1]输流管道的稳定性、分岔与混沌行为研究[D]. 王琳.华中科技大学 2006
[2]能量有限元法研究及其应用[D]. 孙丽萍.哈尔滨工程大学 2004
硕士论文
[1]基于能量有限元方法的封闭耦合结构动力学特性研究[D]. 刘知辉.山东大学 2017
[2]能量有限元分析法的研究及其在复合材料层合板中的应用[D]. 杨旸.宁波大学 2013
本文编号：3453532
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