一种管道减振的优化方法

摘要

本发明创造涉及一种管道减振的优化方法，其步骤包括：建立待优化管道模型，将管道模型导入优化软件中，在优化软件中进行模态分析模式和静力分析模式优化，模态分析模式计算结果为管道模型的振动模态的频率值和结构优化后的新管道模型，使管道模型的阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值；静力分析模式计算结果为管道模型的应力分布图和结构优化后的新管道模型，使管道模型的应力分布图中应力最大值小于管道的疲劳极限值。使用本发明创造的优化方法不仅能够避免设备运输时的管道共振，减少设备运行时的管道应力，并可对优化改进后的管道模型进行直接检测，无需工艺成本，不需制造样机进行检测，节省生产成本，缩短开发周期，提高研发效率。

权利要求

1.一种管道减振的优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）针对待优化的管道采用建模软件建立管道模型；

（2）将建立好的管道模型导入ABAQUSE软件中，并对管道模型进行网格划分；

（3）在ABAQUSE软件中，设置管道模型的边界约束和物理参数，其中，边界约束包括固支边界、不完全固支边界和构件连接，物理参数包括管道模型的材料特性，密度，杨式模量和泊松比；

（4）管道模型满足设备运输条件时的优化，运行步骤（6）和步骤（7）进行优化计算；管道模型满足设备运行条件时的优化，运行步骤（8）和步骤（9）进行优化计算；

（5）管道模型既满足设备运输条件又满足设备运行的优化，对待优化的原管道模型运行步骤（6）和步骤（7）进行优化计算得到满足设备运输条件的新管道模型，然后采用步骤（7）所得到的新管道模型运行步骤（8）和步骤（9），若经步骤（9）计算得到管道模型的应力分布图中最大应力值大于管道的疲劳极限值，则对步骤（9）中所得的新管道模型进行步骤（2）、（3）、（8）和（9）再次进行优化计算，若经步骤（9）计算所得管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，则所得到的管道模型则为满足设备运输和运行两种条件下设计所需的管道模型；

（6）采用ABAQUSE软件中的模态分析模式对管道模型进行优化计算，模态分析模式包括频率分析模块、形状优化模块和迭代计算模块，其中，在频率分析模块中设置线性扰动子模块，在频率分析模块中设置期望得到的管道模型振动模态的阶数n，n=20,在迭代计算模块中设置迭代次数t, t=10；

（7）模态分析模式优化计算结果为管道模型的振动模态的频率值和结构优化后的新管道模型，根据步骤（6）中的振动模态的阶数n的设置，相应的，可得到管道模型的前n阶振动模态的频率值，若前n阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值，则结构优化后的新管道模型则满足运输条件；若前n阶振动模态的频率值不全都大于运输频率的最大值，则给出这些频率值小于运输频率的最大值的阶振动模态的频率值所对应的管道模型的位移分布图，对位移分布图中位移值最大的点在新管道模型中进行边界约束，返回步骤（2）、（3）和（6）、（7）再次进行优化计算，直至所得管道模型的阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值，此时，所得到的管道模型则为满足设备运输设计所需的管道模型；

（8）采用ABAQUSE软件中的静力分析模式对管道模型进行优化计算，静力分析模式包括静力分析模块、形状优化模块和迭代计算模块，其中，在迭代计算模块中设置迭代次数t, 0≤t≤30；

（9）静力分析模式优化计算结果为管道模型的应力分布图和结构优化后的新管道模型，若管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，则所得到的结构优化后的新管道模型满足设备运行条件；若管道模型的应力分布图中最大应力值大于或等于管道的疲劳极限值，则对所得的新管道模型进行步骤（2）、（3）（8）和（9）再次进行优化计算，直至所得管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，此时，所得到的管道模型则为满足设备运行设计所需的管道模型。

2.根据权利要求1所述的一种管道减振的优化方法，其特征在于：步骤（6）和（8）中迭代计算模块在迭代计算中采用圆管状的几何结构对管道模型的网格结构进行拟合，拟合方法为最小二乘法。

3.根据权利要求1所述的一种管道减振的优化方法，其特征在于：步骤（8）中，迭代次数设置为10次。

4.根据权利要求1所述的一种管道减振的优化方法，其特征在于：管道模型在导入ABAQUSE软件之前需生成SAT文件格式。

5.根据权利要求1所述的一种管道减振的优化方法，其特征在于：运输频率为2～50 Hz。

说明书

一种管道减振的优化方法

技术领域

[0001] 本发明创造涉及管道减振技术领域，具体涉及一种管道减振的优化方法。

背景技术

[0002] 在一般的家电设备或电器设备中，机体内都设置有众多交连的管道，这些管道由于自身的强度不高，并且自由度较多，相对于机体内的其他部件更容易发生振动，尤其是这些管道在运输过程中会由于运输工具或路况等激振因素而产生振动，另外，管道在设备运行过程中也会由于其内的振动源（例如电机、风扇等）的激振而产生受迫振动，这些振动均会加剧管道的疲劳程度，降低管道的使用寿命，尤其是当激振频率接近管道的固有频率时，会诱发共振，进一步增加管道的疲劳破损程度，严重影响设备的运行质量。管道振动不仅使管道易疲劳破损，并且振动会产生巨大的噪音、损耗大量的能量，甚至振动还有可能引起设备的变形，因此，如何减少管道振动的研究备受关注。

[0003] 在目前的管道结构设计中，主要采用两种方法来减少管道振动：第一种方法是通过在管道的外部加设减振模块（例如减振器，减振阀，减振块等），虽然这种方法能够直接达到减振的效果，但是却增加了额外的材料成本和工艺组装成本，经济效益低，而且由于实际中管道结构复杂，额外增设的减振模块会增加设备的体积，进一步增加了生产成本；第二种方法是技术人员根据已有经验，制造出具有不同管道结构的多种样机，然后分别进行振动台上的模拟运输实验和运行振动测试实验，测量出能够反应管道性能的参数（破坏周期，应力，位移等），然后根据这些测量的参数来重新调整管道结构继续进行测试，采用这种方法需要制造大量的样机，增加生产成本，并造成不合格样机的大量浪费，同时测试效率低、增长了研发周期。

发明内容

[0004] 本发明创造的目的在于避免现有技术中的上述不足之处而提供一种管道减振的优化方法，该优化方法能够大幅度减小管道振动、避免管道共振，并且使用该优化方法简单、方便、成本低、占用空间小、优化效率高，能够节省研发成本和缩短研发周期。

[0005] 本发明创造的目的通过以下技术方案实现：

[0006] 提供了一种管道减振的优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

[0007] （1）针对待优化的管道采用建模软件建立管道模型；

[0008] （2）将建立好的管道模型导入ABAQUSE软件中，并对管道模型进行网格划分；

[0009] （3）在ABAQUSE软件中，设置管道模型的边界约束和物理参数，其中，边界约束包括固支边界、不完全固支边界和构件连接，物理参数包括管道模型的材料特性，密度，杨式模量和泊松比；

[0010] （4）管道模型满足设备运输条件时的优化，运行步骤（6）和步骤（7）进行优化计算；管道模型满足设备运行条件时的优化，运行步骤（8）和步骤（9）进行优化计算；

[0011] （5）管道模型既满足设备运输条件又满足设备运行的优化，对待优化的原管道模型运行步骤（6）和步骤（7）进行优化计算得到满足设备运输条件的新管道模型，然后采用步骤（7）所得到的新管道模型运行步骤（8）和步骤（9），若经步骤（9）计算得到管道模型的应力分布图中最大应力值大于管道的疲劳极限值，则对步骤（9）中所得的新管道模型进行步骤（2）、（3）、（8）和（9）再次进行优化计算，若经步骤（9）计算所得管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，则所得到的管道模型则为满足设备运输和运行两种条件下设计所需的管道模型。

[0012] （6）采用ABAQUSE软件中的模态分析模式对管道模型进行优化计算，模态分析模式包括频率分析模块、形状优化模块和迭代计算模块，其中，在频率分析模块中设置期望得到的管道模型振动模态的阶数n，1≤n≤20,在迭代计算模块中设置迭代次数t, 0≤t≤30；

[0013] （7）模态分析模式优化计算结果为管道模型的振动模态的频率值和结构优化后的新管道模型，根据步骤（6）中的振动模态的阶数n的设置，相应的，可得到管道模型的前n阶振动模态的频率值，若前n阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值，则结构优化后的新管道模型则满足运输条件；若前n阶振动模态的频率值不全都大于运输频率的最大值，则给出这些频率值小于运输频率的最大值的阶振动模态的频率值所对应的管道模型的位移分布图，对位移分布图中位移值最大的点在新管道模型中进行边界约束，返回步骤（2）、（3）、（6）和（7）再次进行优化计算，直至所得管道模型的阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值，此时，所得到的管道模型则为满足设备运输设计所需的管道模型；

[0014] （8）采用ABAQUSE软件中的静力分析模式对管道模型进行优化计算，静力分析模式包括静力分析模块、形状优化模块和迭代计算模块，其中，在迭代计算模块中设置迭代次数t, 0≤t≤30；

[0015] （9）静力分析模式优化计算结果为管道模型的应力分布图和结构优化后的新管道模型，若管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，则所得到的结构优化后的新管道模型满足设备运行条件；若管道模型的应力分布图中最大应力值大于或等于管道的疲劳极限值，则对所得的新管道模型进行步骤（2）、（3）、（8）和（9）再次进行优化计算，若经步骤（9）计算，则所得管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，此时，所得到的管道模型则为满足设备运行设计所需的管道模型。

[0016] 进一步的，步骤（6）中，在频率分析模块中设置线性扰动子模块，管道模型的振动模态设置为15阶，迭代次数设置为10次。

[0017] 进一步的，步骤（6）和（8）中迭代计算模块在迭代计算中采用圆管状的几何结构对管道模型的网格结构进行拟合，拟合方法为最小二乘法。

[0018] 进一步的，步骤（8）中，迭代次数设置为10次。

[0019] 进一步的，步骤（2）中，管道模型在导入ABAQUSE软件之前需生成SAT文件格式。

[0020] 进一步的，运输频率为2～50 Hz。

[0021] 本发明创造的有益效果：

[0022] 本发明创造的管道减振的优化方法，使用本发明创造的优化方法通过迭代计算模块可以自动优化管道的结构，在模态分析模式优化中，使优化后的新管道的阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值，进而避免设备运输条件时引起管道的共振，从而减少管道的疲劳破损，另外，在静力分析模式优化中，使用本发明创造的优化方法优化得到的新管道的最大应力值小于管道的疲劳极限值，避免设备运行时增加管道的受力程度，进而减小管道的疲劳度；使用本发明创造的优化方法简单、方便，优化效率高，可对优化后的管道模型进行直接检测，无需增加工艺成本，也不需制造出样机进行检测，节省了生产成本，缩短了开发周期，提高了研发效率。

附图说明

[0023] 利用附图对发明创造作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明创造的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

[0024] 图1是本发明创造的管道模型的结构示意图。

[0025] 图2是本发明创造的管道模型网格划分后的结构示意图。

[0026] 图3是本发明创造的模态分析模式自动优化中管道模型的前一阶振动模态的位移分布图。

[0027] 图4是本发明创造的模态分析模式自动优化中管道模型的前二阶振动模态的位移分布图。

[0028] 图5是本发明创造的模态分析模式自动优化中管道模型的前三阶振动模态的位移分布图。

[0029] 图6是本发明创造的模态分析模式自动优化中管道模型的前四阶振动模态的位移分布图。

[0030] 图7是本发明创造的静力分析模式优化前的管道模型的应力分布图。

[0031] 图8是本发明创造的静力分析模式优化后的管道模型的应力分布图。

[0032] 附图标记：

[0033] 1-A支管道，

[0034] 2-B支管道，

[0035] 3-C支管道，

[0036] 4-D支管道，

[0037] 5-主管道。

具体实施方式

[0038] 结合以下实施例对本发明创造作进一步描述。

[0039] 本发明创造的一种管道减振的优化方法， 包括如下步骤：

[0040] （1）针对待优化的管道采用建模软件建立管道模型，建模软件优选为Solid Edger，利用Solid Edger建立管道模型，如图1 所示，管道模型包括一个主管道5和多个支管道，多个支管道的一端口均连接于主管道上，优选的，支管道为四个，分别为A支管道1、B支管道2、C支管道3、D支管道4，四个支管道的另一端口A′、B′、C′、D′均为待边界约束的自由端。

[0041] （2）将步骤（1）中的建好的管道模型导入ABAQUSE软件中，并对管道模型进行网格划分，其中，将管道模型生成SAT文件格式后导入ABAQUSE软件中，然后对管道模型进行网格划分，采用自由网格划分格式，网格的形状为四面体，网格单元类型为C3D10，初始化的网格种子全局大小为0.004，每圈最多网格种子为8，最小网格设置不低于特征长度的10%，网格划分后如图2所示。

[0042] （3）在优化软件中，设置管道模型的边界约束和物理参数，其中，边界约束包括固支边界、不完全固支边界和构件连接，物理参数包括管道模型的材料特性，密度，杨式模量和泊松比，进一步的，管道材质选为紫铜，计算密度设为8.94×103kg/m3，杨式模量、泊松比分别采用平均值117.5Gpa、0.325。

[0043] （4）管道模型满足设备运输条件时的优化，运行步骤（6）和步骤（7）进行优化计算；管道模型满足设备运行条件时的优化，运行步骤（8）和步骤（9）进行优化计算。

[0044] （5）管道模型既满足设备运输条件又满足设备运行的优化，对待优化的原管道模型运行步骤（6）和步骤（7）进行优化计算得到满足设备运输条件的新管道模型，然后采用步骤（7）所得到的新管道模型运行步骤（8）和步骤（9），若经步骤（9）计算得到管道模型的应力分布图中最大应力值大于管道的疲劳极限值，则对步骤（9）中所得的新管道模型进行步骤（2）、（3）、（8）和（9）再次进行优化计算，若经步骤（9）计算所得管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，则所得到的管道模型则为满足设备运输和运行两种条件下设计所需的管道模型。

[0045] （6）采用ABAQUSE软件中的模态分析模式对管道模型进行优化计算，模态分析模式包括频率分析模块、形状优化模块和迭代计算模块，其中，在频率分析模块中设置期望得到的管道模型振动模态的阶数n，1≤n≤20,在迭代计算模块中设置迭代次数t, 0≤t≤30。

[0046] （7）模态分析模式优化计算结果为管道模型的振动模态的频率值和结构优化后的新管道模型，根据步骤（6）中的振动模态的阶数n的设置，相应的，可得到管道模型的前n阶振动模态的频率值，若前n阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值，则结构优化后的新管道模型则满足运输条件；若前n阶振动模态的频率值不全都大于运输频率的最大值，则给出这些频率值小于运输频率的最大值的阶振动模态的频率值所对应的管道模型的位移分布图，对位移分布图中位移值最大的点在新管道模型中进行边界约束，返回步骤（2）、（3）、（6）和（7）再次进行优化计算，直至所得管道模型的阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值，此时，所得到的管道模型则为满足设备运输设计所需的管道模型。

[0047] （8）采用ABAQUSE软件中的静力分析模式对管道模型进行优化计算，静力分析模式包括静力分析模块、形状优化模块和迭代计算模块，其中，在迭代计算模块中设置迭代次数t, 0≤t≤30。

[0048] （9）静力分析模式优化计算结果为管道模型的应力分布图和结构优化后的新管道模型，若管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，则所得到的结构优化后的新管道模型满足设备运行条件；若管道模型的应力分布图中最大应力值大于或等于管道的疲劳极限值，则对所得的新管道模型进行步骤（2）、（3）、（8）和（9）再次进行优化计算，直至所得管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，此时，所得到的管道模型则为满足设备运行设计所需的管道模型。

[0049] 管道模型处在设备运输条件时，采用优化软件中的模态分析模式对管道模型进行优化计算，模态分析模式包括频率分析模块、形状优化模块和迭代计算模块，其中，在频率分析模块中设置期望得到的管道模型振动模态的阶数为15阶，在迭代计算模块中设置迭代次数，每次采用23个位移向量进行迭代运算，迭代计算模块在迭代计算中采用圆管状的几何结构对管道模型的网格结构进行拟合，拟合方法为最小二乘法。模态分析模式采用频率分析模块中的线性扰动子模块，模态分析模式的动力学特征的一般方程式为：

[0050]

[0051] 其中，上述方程式中[M]为质量矩阵，[K]均刚度矩阵，{x}为位移列阵，[M]和[K]均为n×n阶方阵，{x}为n×1阶列阵。应用线性变换式{x}=[u]{y}，可以对集合位置坐标{x}表示的耦合系统微分方程组解耦。为求解上述方程，我们假定管道模型的振动是由频率的简谐振动组成，设{X}为{x}的位移幅值和振幅列阵或振幅向量，φ为初相位，则管道模型运动方程式为：{x}={X}sin(ωnt+φ)，将其代入上述方程式中，整理得到的管道模型的特征矩阵方程式为：

[0052]

[0053] 由于结构的阻尼对其模态频率及振型的影响很小，所以模态分析模式的实质就是求解具有有限个自由度的无阻尼及无载荷状态下式中的。

[0054] 管道模型优化前，采用模态分析模式进行分析计算，设置迭代次数设置为0次，计算结果为管道模型的前15阶振动模态的频率值，从计算结果中列出前八阶振动模态的频率值进行分析，如表1所示的优化前的振动模态的频率值，在这前八阶振动模态的频率值中前四阶振动模态的频率值均在运输频率（2～50 Hz）的范围内，因而在设备运输时这四阶振动模态可能会引发管道的共振，进而可能加剧管道的疲劳程度，因此，为避免管道共振，需要对管道模型进行结构优化，使管道模型的最小振动频率达到最大化，即是管道模型的前1阶频率达到最大化。

[0055] 管道模型自动结构优化，采用模态分析模式进行分析计算，设置迭代次数设置为10次，计算结果为管道模型的前15阶振动模态的频率值和结构优化后的新管道模型，新管道模型中A支管道1与主管道5连接处的管径较优化前的管道模型变小。同样从计算结果中列出前八阶振动模态的频率值进行对比分析，如表1所示的自动优化中的频率值，自动优化中的前八阶振动模态的频率值明显大于与其对应的优化前的频率值，但是，自动优化中的前四阶振动模态的频率值也落在运输频率的最大值50 Hz的范围内，还是可能引起运输时管道的共振，因此需要对管道模型进行进一步的优化，此时，可以将结构自动优化后的新管道返回步骤（2）、（3）、（6）和（7）再次进行优化计算，使管道的最小振动模态频率值趋于最大，但由于管道模型自由优化需要大量的计算，为提高优化效率，对管道模型采用约束边界优化。

[0056] 管道模型采用约束边界优化，进一步给出上述自动优化计算结果中的前四阶的振动模态的频率值所对应的管道模型的位移分布图，如图3至图6所示，从位移分布图中可以直接看出Ａ支管道1的弯角E处和Ｂ支管道2的弯角F处的位移值最大，对弯角E处和弯角F处进行固支边界约束，其他参数与上述自动优化模态分析相同，再次进行优化模态模式计算。计算结果为前15阶振动模态的频率值和结构优化后的新管道模型，同样选择前八阶振动模态的频率值进行对比分析，如表1所示的约束优化的频率值，与自动优化计算结果进行对比，可知约束优化计算结果中的全部阶频率值均大于运输频率的50 HE，进而保证管道在设备运输时不会产生共振。

[0057] 优化前后的三次模态分析结果见表1所示：

[0058]

[0059] 使用本发明创造的优化方法通过迭代计算模块可以自动优化管道的结构，在模态分析模式优化中，使优化后的新管道的阶振动模态的频率值都大于运输频率的最大值，进而避免设备运输条件时引起管道的共振，从而减少管道的疲劳破损，使用本发明创造的优化方法简单、方便，优化效率高，可对优化后的管道模型进行直接检测，无需增加工艺成本，也不需制造出样机进行检测，节省了生产成本，缩短了开发周期，提高了研发效率。

[0060] 管道模型处在设备运行条件时，采用优化软件中的静力分析模式对管道模型进行优化计算，静力分析模式包括静力分析模块、形状优化模块和迭代计算模块，其中，在迭代计算模块中设置迭代次数。由于管道模型与设备内的振动源连接，在设备在运行时，管道模型作受迫振动，受迫振动的运动方程为：

[0061]

[0062] 其中f 为受迫力，管道模型的受迫力主要来自于设备内的振动源（例如压缩机、电机、风扇等）。

[0063] 在静力分析模式中，边界约束为在端口A′处施加位移载荷，其位移最大值为（60，70，70）um，在端口B′，C′，D′处均设置为固支边界。

[0064] 管道模型优化前，采用静力分析模式分析计算，迭代次数设置为0次，静力分析模式优化计算结果为管道模型的应力分布图，管道模型的应力分布图如图7所示，从图7 中可以直接看出最大应力为1.548Mpa，应力主要集中在Ａ支管道1的弯角E处。

[0065] 对管道模型进行优化，采用静力分析模式分析计算，迭代次数设置为10次，计算结果为管道模型的应力分布图和结构优化后的新管道模型，管道模型的应力分布图如图8所示，从图8 中可以看出，虽然应力主要集中区域相对于优化前没有多大的变化，但最大应力值仅为1.295Mpa，相对于优化前的1.548Mpa，应力降低了15%，大大减小了管道所承受的应力；结构优化后的新管道模型在Ａ支管道1的弯角E处的圆弧半径增大，起到分散应力的作用。若管道模型的最大应力还是大于管道的疲劳极限值，则对所得的新管道模型进行步骤（2）、（3）、（8）和（9）再次进行优化计算，直至所得管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值。

[0066] 在静力分析模式优化中，使用本发明创造的优化方法优化得到的新管道的最大应力值小于管道的疲劳极限值，避免设备运行时增加管道的受力程度，进而减小管道的疲劳度。

[0067] 管道模型满足设备运输和运行两种条件下的优化，步骤（8）中的管道模型采用步骤（7）中结构优化后的管道模型，若经步骤（9）计算得到管道模型的应力分布图中最大应力值大于管道的疲劳极限值，则对步骤（9）中所得的新管道模型进行步骤（（2）、（3）、（8）和（9）再次进行优化计算，直至所得管道模型的应力分布图中最大应力值小于管道的疲劳极限值，此时，所得到的管道模型则为满足设备运输和运行两种条件下设计所需的管道模型，使用该优化方法优化管道结构效率高、成本低 、周期短。

[0068] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。