全濕流彈性管模態(tài)分析和試驗(yàn)研究

時(shí)間：2022-08-04 13:52:56

關(guān)鍵字：全濕流試驗(yàn) 有限元

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[導(dǎo)讀]摘要:濕模態(tài)分析是液體環(huán)境下結(jié)構(gòu)物動(dòng)特性研究的重點(diǎn)。現(xiàn)通過(guò)開(kāi)展全濕流彈性管模態(tài)試驗(yàn)和仿真預(yù)示研究,對(duì)比了干/濕模態(tài)間的差異。在驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性后,分析了彈性管各參數(shù)對(duì)前4階彎曲頻率的影響。

引言

模態(tài)分析是振動(dòng)理論的主要研究方向之一,應(yīng)用于系統(tǒng)動(dòng)特性識(shí)別與狀態(tài)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)以及結(jié)構(gòu)損傷診斷等細(xì)分領(lǐng)域。液體環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物如海洋立管、水下航行主結(jié)構(gòu)體、含液貯箱和火箭輸運(yùn)管路等,應(yīng)當(dāng)開(kāi)展?jié)衲B(tài)研究。相比干模態(tài),濕模態(tài)主要受附加質(zhì)量和阻尼的影響,另外還可能與水壓和流體域邊界有關(guān)。根據(jù)研究目的,可設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或仿真予以分析。本文針對(duì)海洋立管和水下航行體,將其結(jié)構(gòu)體合理簡(jiǎn)化成彈性管,開(kāi)展?jié)衲B(tài)試驗(yàn)與仿真研究。

1彈性管試驗(yàn)件及有限元模型

試驗(yàn)件選用柱形空心環(huán)氧樹(shù)脂管,其長(zhǎng)度、直徑和壁厚分別為2000mm、80mm、6mm。根據(jù)材料試驗(yàn)測(cè)定,樹(shù)脂密度β=1080kg/m3,彈性模量E=3080MPa,泊松比e=0.374。

通過(guò)建立流固耦合數(shù)學(xué)模型,將流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)有限元離散化求解。動(dòng)力學(xué)方程符合邊界相容條件。三維模型管外流體域直徑為管直徑的8倍,采用線性勢(shì)流體六面體結(jié)構(gòu)化單元,結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格為4層,各流體域近壁面網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)域尺寸相當(dāng),截面圖如圖1所示。各域邊界接觸協(xié)同。流體域介質(zhì)為空氣或水,選取20℃下標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),空氣密度β=1.205kg/m3,體積模量K=10.1kPa:水密度β=998kg/m3,體積模量K=2560MPa。

圖1三維模型網(wǎng)格截面圖

2試驗(yàn)和分析

2.1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用力錘激勵(lì)法。用橡皮繩懸掛環(huán)形管,以模擬自由-自由狀態(tài)邊界條件。兩根橡皮繩分別纏緊環(huán)形管兩端。干模態(tài)和濕模態(tài)工況安裝分別如圖2、圖3所示。干模態(tài)工況中,橡皮繩末端固定在4個(gè)立柱上。濕模態(tài)工況在水箱中進(jìn)行,因管內(nèi)含氣導(dǎo)致比重小于1,通過(guò)橡皮繩穿過(guò)焊接在箱體上的4個(gè)定滑輪保證環(huán)形管懸浮。

圖2干模態(tài)狀態(tài)安裝圖

圖3濕模態(tài)狀態(tài)安裝圖

試驗(yàn)件內(nèi)壁均布8個(gè)加速度測(cè)點(diǎn),經(jīng)過(guò)線密封防水處理。其他參試設(shè)備有力錘、力傳感器、數(shù)采設(shè)備和電荷放大器。數(shù)據(jù)處理使用Matlab軟件。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)振型識(shí)別前4階彎曲頻率。濕模態(tài)狀態(tài)下各階頻率較干模態(tài)工況對(duì)應(yīng)階數(shù)的頻率低。其1階、2階分別下降了74.6%和44.7%。試驗(yàn)實(shí)測(cè)濕模態(tài)的各階阻尼比在3~5之間,相對(duì)干模態(tài)較小但無(wú)明顯規(guī)律。濕模態(tài)質(zhì)量為干模態(tài)的2.2~2.6倍。

2.3干模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

干模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表1所示。不考慮空氣耦合時(shí),1階彎曲頻率計(jì)算誤差較大,達(dá)10.4%,2~4階相對(duì)稍小,偏差在2%~3%?？紤]空氣耦合的計(jì)算頻率有所下降,1階較實(shí)測(cè)值偏大8.0%,其余3階偏差在-0.4%~1.5%。

2.4濕模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

濕模態(tài)計(jì)算分為雙耦合和三耦合兩種方式。按管外-管-管內(nèi)的介質(zhì)規(guī)則命名,分為水-管、水-管-氣、水-管-水共3種工況。表2中,水-管雙耦合計(jì)算頻率低于試驗(yàn)結(jié)果,前4階誤差在-2.4%~-5.3%,且隨階數(shù)增加而增大。因空氣影響較小,水-管-氣三耦合結(jié)果僅略低于雙耦合。若管內(nèi)充液,即水-管-水三耦合,其計(jì)算頻率相對(duì)雙耦合降幅顯著,約達(dá)20%。

3濕模態(tài)下彈性管參數(shù)影響分析

為揭示全濕流下彈性管本體參數(shù)對(duì)頻率的影響,選取彈性管模量、密度、管長(zhǎng)、外徑和壁厚共5種參數(shù)進(jìn)行影響分析。以試驗(yàn)工裝為基準(zhǔn),單變量計(jì)算。參數(shù)變動(dòng)系數(shù)為0.5、0.75、1.25和1.5。各算例均采用水-管-氣三耦合。對(duì)比計(jì)算結(jié)果,各參數(shù)1~4階相對(duì)本階基準(zhǔn)值的變化程度一致。故僅需分析第1階彎曲頻率,結(jié)果如表3所示。

相對(duì)基準(zhǔn)工況,將變動(dòng)參數(shù)和計(jì)算頻率結(jié)果各自歸一化,有利于分析參數(shù)影響程度,結(jié)果如圖4所示。彈性管長(zhǎng)度影響程度最大,對(duì)應(yīng)頻率在0.45~3.97倍間變化。其余參數(shù)影響相對(duì)較小,均在0.59~1.28倍之間。影響程度按長(zhǎng)度、外徑、模量、壁厚和密度依次減小。其中長(zhǎng)度和密度與頻率呈反向變動(dòng)關(guān)系,其他呈正向變動(dòng)關(guān)系。將濕/干模態(tài)頻率之比作為影響系數(shù),可進(jìn)一步分析流固耦合隨參數(shù)變化的作用程度,由于篇幅有限本文不再展開(kāi)。