摘要：利用ANSYS软件的管路模块建立了某型复杂管路系统的有限元模型，模型中包含了三通、阀门、法兰、波纹管、管卡等常见管路元件，同时考虑了管道内压、管内流体密度和温度因素。结合随机振动分析模块，计算了管路系统在随机白噪声支承激励下的振动响应量的统计特征。确定了结构在外场振动环境下的薄弱位置，并分析了元件的加速度谱响应特性。

　　关键词：压力管路系统，支承激励，随机振动，ANSYS

　　中图分类号：TB115 文献标识码：A

　　Abstract: The “piping modeling” module of ANSYS was adopted to build the finite element model of a complex system of head conduit, many common components such as tee, valve, flange, bellow and spring handles were included in the model, some other factors such as inner pressure, density of liquid and environmental temperature were considered simultaneously. The statistic characteristics of dynamic response of the system under white supports’ noise excitation were calculated. Weak locations in the pipelines were determined; the acceleration spectrum responses of components were also obtained.

　　Keywords: system of pipelines, support excitation, random vibration, ANSYS 引言压力管路系统作为现代工业中介质传输、能量传递的重要方式之一，在给水、天然气、液压、燃油系统中具有广泛的应用。管路不仅受到内部介质压力波动载荷，还不可避免地受到外部振动环境(如运输、其他设备运行、地震等)的影响，外场振动激励通过外设接头、管夹等传递到管道上，能够造成液压系统的阀门、接头、波纹管等连接部件的松动、泄露和裂纹等动强度失效。随之而来的管道的振动、疲劳、泄露事故也特别突出[1-4]。因此，研究液压管路系统在随机振动环境下的动强度的评估方法显得极为重要。

　　管道的振动问题已经有大量的文献进行了深入的研究[5-8]，并解决了很多工程问题。但是现有文献多集中在局部单一直管或弯管平面振动，并且考虑流固耦合因素后较为繁难，这些成果难以在工程界广泛推广和应用，从对象上和理论上都能够有效指导工程复杂管道系统的振动问题。本文利用ANSYS软件的管路模块(piping models)解决复杂管路系统的建模难题，再对模型受到外场随机振动下的振动响应统计特征进行了分析。 1. ANSYS的管道模块ANSYS的管路模块(piping modeling)管路模块在建模方法上也具有独特的优势，它采用相对建模思路，只需定义下一节点相对与上一节点的走向和长度，提供了一组特殊的命令，使用户按规范的管路输入数据建立管路系统模型，即可快速完成整个管路系统模型，而不必按照一般的ANSYS直接生成方法进行建模操作。它提供了两种管道工业分析标准：ANSI B31.1和ASME Section III NC;除了能够制定管道材料和尺寸，还可以定义管道内部介质密度、外部绝缘层密度与厚度、侵蚀允许厚度和温度等因素;并且能够添加三通、波纹管、阀门法兰、节流器、管夹等常见但是难于建模的管路元件。 直管 ANSYS采用pipe16单元来模拟弹性直管单元，是一种具有弹性和刚性的单轴单元，具有拉压、扭转、和弯曲性能。pipe16单元有两个节点，<0}在单元的两端与其他单元连接。{0>The element has six degrees of freedom at two nodes: translations in the nodal x, y, and z directions and rotations about the nodal x, y, and z axes. <}0{>该单元的两个结点分别有6个自由度： X,Y,Z方向的平动自由度和绕X,Y,Z轴的转动自由度。<0}该单元基于3D梁单元(BEAM4)派生而来，并且由于管道截面的几何对称性显得更加简单。 弯管 对于弯管有两种处理方法：一是使用多段直管，即将弯管用若干根截面与其相等的直管组成的折线代替(Miter)，这种方法采用的单元仍然是Pipe16直管单元;第二种方法是直接使用弯管单元(Bend)，这种方法采用的是Pipe18单元，可以方便地求得弯管单元的刚度矩阵和质量矩阵。ANSYS提供了高效的APDL语言，对应上述两种方法的建模命令为Miter和Bend。

　　弯管部分的曲率半径一般有两种标准：短半径标准SR和长半径标准LR; SR表示管道的弯曲半径大小为当前定义的管道外径;而LR标准为当前定义的管道外径的1.5倍。在建立弯管单元时，还可以定义弯管单元的划分数目，默认划分为2个单元。 阀门和法兰 法兰和阀门对管路结构的动力学影响是惯性，对系统的弹性影响很小，所以一般作为附加质量处理。由于管道系统振动时，一般角位移很小，所以可以只考虑它的附加移动惯性而忽略转动惯性。将阀门或者法兰选为节点，定义该节点的附加质量为阀门或者法兰的实际质量。建模命令分别为valve和flange。 三通管 三通是管道设备中最为常见的元件之一，ANSYS软件采用pipe17单元来描述。Pipe17可以看成是三个轴向弹性直管单元的组合，并且排列成“T”字型，能够承受拉伸、弯曲、扭转载荷的能力。该单元的每个节点有六个自由度：三个平移自由度和三个转动自由度。三通建模命令为tee。 管卡 管卡在管系中起到了固定和支承管道的作用，能够增加管系刚度，建模命令为pspring，其主要参数包括：管卡的位置、管卡的类型，以及管卡的刚度。ANSYS将管卡简化为平移约束弹簧和旋转约束弹簧两类，管卡的末端为固定约束(如图1所示)。此外，ANSYS中还可以定义管卡与管道外壁之间的间隙。

　　在本文中，认为管卡的约束作用是限制了管道径向的任意位移，不约束沿管道轴向的转动自由度。

图1. 管卡示意图 2. 压力管路系统的有限元模型某型管路系统的模型如图2所示。管路由8”管(英制)、弯头、波纹管、三通、阀门、法兰和管卡组成。管道材料为1Cr18Ni9Ti，弹性模量psi，泊松比，密度lb/ft3。管内液体密度为lb/ft3，管道内压MPa。波纹管轴向刚度lbf/in，管卡支承刚度lbf/in。阀门和法兰盘的质量分为1lb和4lb，管路系统的环境温度为30°。

阀门 法兰 三通 波纹管 管卡 弯管

　　图2. 管路系统结构示意图

　　利用上节所述的管路系统建模方法，得到整个系统的有限元模型(如图3所示)，图中各个数字代表的单元如下：1——pipe16直管单元;2——pipe18弯管单元;3——pipe17三通管单元;4——valve阀门单元;5——flange法兰单元;6——bellow波纹管单元;7——pspring弹性管卡单元。模型节点总数49个，单元总数42个，可以看到，模型的网格规模远远小于传统直接建模方法，并且还较为全面地反映了管路系统中一些常见元件。

　　图3. 管路系统有限元模型

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