來源：CAE技術聯盟微信公眾號（ID：caejslm），作者：陳建宇等。

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在生產實踐中，管道的強烈振動會使管路附件尤其是管道的連接部位、管道與附件的連接部位和管道與支架的連接部位等處發生磨損松動，在振動所產生的交變應力作用下導致疲勞破壞，從而發生管線斷裂、介質外泄，甚至引起嚴重的生產事故，給生產和環境造成嚴重危害。因此，對出現強烈振動的管道，分析其產生原因并給出相應的減振措施，具有重大的經濟效益和社會效益。

本文以注水系統配注管線的劇烈振動為例，利用大型結構分析軟件ANSYS對管道進行建模并作出相應的模態分析。在得出低階情況下結構固有頻率和相應振型后與振動主頻率比較，從而判斷出在低階情況下結構固有頻率與振動主頻率處于共振區，因而引起強烈振動。為避免結構固有頻率和振動主頻率的共振，有效地減輕管道的振動，采取在合適的位置施加位移約束的方法進行消振，并給出了驗證。

一、管系簡介

該管線為注水系統配注管線，管線的局部布局如圖1所示，在ANSYS系統中為了計算方便將管線進行了簡化（如圖2），管線的彈性模量為206GPa，泊松比0.3。

圖1 管線的局部布局

圖2 ANSYS建模簡化圖

二、配注管線實測振幅、時域波形及頻譜

測點1、2水平方向（振動最大方向）的振幅、時域波形和頻譜：

圖3 測點1的時域波形

圖4 測點1的頻譜

圖5 測點2的時域波形

圖6 測點2的頻譜

由測得數據可知配注管線振動劇烈，測點1振幅為29.8mm/s，是標準11.2mm/s的2.7倍；測點2振幅145mm/s是標準11.2mm/s的12.9倍，測試的位移達到1073μm（峰-峰值），振動頻率都是30.7Hz。

三、管道結構固有頻率的計算

用ANSYS有限元分析軟件對管道結構進行建模和模態分析，用梁空間單元Beam189對管道結構進行單元數劃分，劃分完網格的管線的有限元模型如圖7所示。

圖7 管線的有限元模型

按照實際的約束情況對管線的相關節點施加相應約束，施加完約束后的圖形如圖8所示。

圖8 管線約束

運用Block Lanczos（分塊）法對管線進行模態分析，得出管系結構的前5階固有頻率值（見表1）和相應頻率下的振型圖（如圖9）。

圖9 2階固有頻率及振型

表1 管線結構的前5階固有頻率

在工程上常把 (0.8~1.2) 的頻率范圍作為激發頻率共振區，當管系機械固有頻率落在激發頻率共振區范圍時將發生結構共振。

由表1和圖9分析可知：

• 配注管線的振動頻率30.7Hz對應的共振頻率范圍為24.56～36.84Hz，管系結構的第2階固有頻率 (33.688Hz)，剛好落在共振頻率范圍內，此時管道極易發生機械共振，產生劇烈的管道振動，這與實際測試的數值相一致。

• 由共振的理論可知，為了避免共振，應對管道進行合理的設計和改造，使管系的結構固有頻率盡量避開與激發頻率的共振區。

三、具體消振方案

從上面的分析可知，可以通過提高管系的結構固有頻率來避開激發頻率與結構固有頻率的共振區，從而消減管道的振動。要想提高管系的結構固有頻率，在不改變原有管系結構的情況下，最有效最便捷的措施便是施加有效約束，在本管系結構中，在管道中間處施加了一處約束。

圖10 管線的新約束情況

施加新增約束條件后，再利用Block Lanczos（分塊）法對管線進行模態分析，得出管系結構的前5階固有頻率值（見表2）。

表2 新約束條件下管線結構的前5階固有頻率

對比原約束和新約束條件下管線結構的前5階固有頻率可知，在施加約束后管線結構的固有頻率有了明顯提高，避開了與激發頻率的共振區，對改善管道振動有很理想的效果。

五、結  論

通過以上分析，可得以下幾點結論：

• 實踐中經常遇到的管道振動主要原因之一是，因為管線結構的固有頻率與激發頻率共振引起的。

• 提高結構的固有頻率值可以有效避免共振，而提高結構固有頻率的一項有效便捷措施便是在合適的位置施加相應約束條件。通過施加新的約束條件后，管線結構的固有頻率有了明顯提高，從而避開了與激發頻率的共振區，消減了由共振引起的劇烈振動。

• 所采取的措施簡單易行，為實踐中的此類問題提供了解決方法和理論基礎。

• 文中所采用的ANSYS模態分析方法，在實際應用中得到了驗證，從而為此類工程問題提供了一種新的分析方法和解決途徑。