基于管-实体单元耦合的串联管路动力学建模及降应力优化

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.09.008

摘要/Abstract

摘要：

针对空间串联管路迫切需要减振的问题，提出了一种基于管-实体单元耦合的空间串联管路有限元建模方法，并在此基础上执行了以降低应力响应为目标的卡箍布局优化.详细描述了建模理念，即卡箍及管接头等应力较大区域采用实体单元建模，其他区域采用管单元建模，最终将各部分耦合起来完成整体建模.创建了具体的优化模型，并给出了利用遗传算法进行优化的流程.以典型的串联管路为对象进行了实例研究，通过仿真与试验验证了所创模型的合理性.执行了降应力优化，获得了系统最优卡箍布局，优化后的系统基频最大共振应力相较于初始状态降低了27.05%.

关键词: 管-实体单元耦合, 串联管路, 动力学建模, 降应力, 优化

Abstract:

To handle the urgent need for vibration reduction of spatial series pipelines， a finite element modeling method for spatial series pipelines based on pipe?solid elements coupling was proposed， and on this basis， the clamp layout optimization with the goal of reducing stress response was performed. The modeling concept is described in detail， that is， the regions with high stress， such as clamps and pipe joints， are modeled by solid elements， the other regions are modeled by pipe elements， and finally the parts are coupled together to complete the overall modeling. A specific optimization model is created， and the process of optimization using the genetic algorithm is given. A typical series pipeline is taken as the object for a case study， and the rationality of the model is verified by simulation and experiment. Stress reduction optimization is performed， the optimal clamp layout of the system is obtained， and the maximum resonance stress of the optimized system fundamental frequency was reduced by 27.05% compared with the initial state.

Key words: pipe?solid element coupling, series pipeline, dynamic modeling, stress reduction, optimization

中图分类号:

TB 535

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图/表 18

图1 典型的空间串联管路

Fig.1 Typical spatial series pipeline

图2 管路简谐激励作用下的应力响应云图

Fig.2 Stress response contour of pipeline under simple harmonic excitation

图3 基于管-实体单元耦合的串联管路动力学建模理念示意图

Fig.3 Schematic diagram of the dynamic modeling concept of the series pipeline based on pipe?solid element coupling

图4 典型管接头机械结构剖面图

Fig.4 Section view of the mechanical structure of a typical pipe joint

图5 管接头简化模型示意图

Fig.5 Simplified diagram of the pipe joint

图6 金属毡卡箍结构图

Fig.6 Structural diagram of the metal felt clamp

图7 卡箍有限元模型

Fig.7 Finite element model of the clamp

图8 实体单元与管单元的节点耦合

Fig.8 Node coupling of the solid element and the pipe element

图9 串联管路优化模型示意图

Fig.9 Schematic diagram of the optimization model of the series pipeline

图10 多卡箍支撑空间串联管路

Fig.10 Spatial series pipeline structure supported by multiple clamps

表1 管路系统各构件的材料参数 (of the pipeline system)

Table 1 Material parameters of each component

构件	弹性模量/GPa	密度/（kg?m^-3）	泊松比
管路	204	7 800	0.285
管接头	204	7 800	0.285
卡箍箍带	240	7 800	0.285
金属毡	0.6	7 800	0.285
螺栓	210	7 800	0.285

图11 管路系统的振动测试系统

Fig.11 Vibration test system of the pipeline system

表2 模态阻尼比

Table 2 Modal damping ratio

模态阻尼比阶次	1	2	3
模态阻尼比数值	0.021	0.013	0.010

图12 串联管路的有限元模型（a）—全实体有限元模型；（b）—管-实体单元耦合有限元模型.

Fig.12 Finite element model of series pipeline

图13 应变测点1位置的应力响应与仿真对比

Fig.13 Comparison of the stress response at the strain gauge point 1 position with the simulation

图14 应变测点2位置的应力响应与仿真对比

Fig.14 Comparison of the stress response at the strain gauge point 2 position with the simulation

图15 简谐激励作用下的应力云图

Fig.15 Stress contour under simple harmonic excitation

图16 卡箍位置优化迭代过程

Fig.16 Iterative process of clamp position optimization

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