模態(tài)分析在管道應(yīng)力模型校核中的應(yīng)用

楊志堅 施少波

摘? 要：文章介紹了將模態(tài)分析應(yīng)用于管道應(yīng)力計算模型校核的一種新方法。通過對示例管道模型的校核結(jié)果表明模態(tài)分析可校核出管道應(yīng)力模型的錯誤，保證了管道應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：管道應(yīng)力;模態(tài)分析;模型校核

中圖分類號：TQ050.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）14-0170-02

Abstract： In this paper， a new method of applying modal analysis to the verification of pipeline stress calculation model is introduced. The verification results of the example pipeline model show that the modal analysis can check the errors of the pipeline stress model and ensure the accuracy of the pipeline stress analysis results.

Keywords： pipeline stress; modal analysis; model checking

引言

隨著計算機(jī)輔助設(shè)計的普及化，越來越多的設(shè)計院所搭建了三維管道設(shè)計平臺，將三維管道設(shè)計軟件、管道應(yīng)力分析軟件有機(jī)集成，并且開發(fā)了相應(yīng)的接口軟件，使得三維管道設(shè)計軟件中所建立的三維模型可直接導(dǎo)入管道應(yīng)力分析軟件中進(jìn)行計算分析，例如UE-PSI（長沙優(yōu)易軟件）、eZPDMS2CII（北京達(dá)美盛軟件）均可實現(xiàn)三維管道設(shè)計軟件PDMS模型到管道應(yīng)力分析CAESAR II的單向?qū)攵S管道設(shè)計軟件CADWORX與CAESAR II由于均由?？怂箍倒鹃_發(fā)，更實現(xiàn)了兩個軟件間的無縫雙向?qū)?由于相應(yīng)的接口軟件省去了管道應(yīng)力分析軟件的建模過程，大大節(jié)省了管道計算分析工作所需時間，極大地提高了工作效率。但是由于軟件是一個不斷完善的產(chǎn)品，現(xiàn)階段三維管道設(shè)計軟件模型導(dǎo)入到管道應(yīng)力分析中都存在一些錯誤，導(dǎo)致直接導(dǎo)出的模型有錯誤不能計算或者計算不準(zhǔn)確，需要使用者對模型進(jìn)行校對修正后才能得到正確可靠的結(jié)果。

1 管道模態(tài)分析的應(yīng)用

1.1 管道模態(tài)分析的常規(guī)應(yīng)用

管道模態(tài)分析作為一種管道動態(tài)分析技術(shù)，通常用于以下分析：

（1）作為管道振動治理的輔助手段[3]管道模態(tài)分析可以獲得管道系統(tǒng)的固有特性（頻率和振型），管道振動治理只需使得激振頻率避開管道系統(tǒng)最重要的前幾階固有頻率，即可以減緩管道振動。

（2）作為管道其它動態(tài)分析技術(shù)的前提[2]管道模態(tài)分析是管道其它動態(tài)分析技術(shù)（諧波分析、頻譜分析等）的前提。

1.2 管道模態(tài)分析用于校核管道應(yīng)力模型

管道應(yīng)力分析通常需要將管道系統(tǒng)與周邊環(huán)境剝離開來，建立可以用來計算的數(shù)學(xué)模型。管道系統(tǒng)的邊界往往是接設(shè)備點(diǎn)及自由端。接設(shè)備點(diǎn)常用固定點(diǎn)（常溫設(shè)備）以及帶熱脹位移的固定點(diǎn)（非常溫設(shè)備）進(jìn)行模擬，而自由端則往往模擬成6個方向均無約束的端點(diǎn)。除此之外，整個管道系統(tǒng)不同管系之間都是通過三通、四通等管部件連接起來的。

管道模態(tài)分析可以獲得管道系統(tǒng)的固有特性（頻率和振型），通過對模態(tài)振型的分析可以來校核管道的邊界正確性與否。

2 實例驗證

某試驗臺架由一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)和各種輔助系統(tǒng)構(gòu)成，其高加蒸汽系統(tǒng)材料采用20G，介質(zhì)為過熱蒸汽，設(shè)計壓力為350℃，設(shè)計壓力為9MPa。運(yùn)用ASME B31.3-2014[1]規(guī)范對其相關(guān)管線在承受自重、內(nèi)壓、溫度等載荷作用下的一、二次應(yīng)力進(jìn)行評定。由三維管道設(shè)計軟件CADWORX建模后通過接口直接導(dǎo)至CAESAR II中進(jìn)行計算，導(dǎo)入后的管道應(yīng)力計算模型如圖1所示。

2.1 管道應(yīng)力模型（直接導(dǎo)出模型）

如果不對直接導(dǎo)出模型進(jìn)行詳細(xì)校核，CAESAR II自檢無致命錯誤，可以進(jìn)行計算，其靜態(tài)分析得到的一、二次應(yīng)力的計算結(jié)果分別為75.6%，60.4%，應(yīng)力合格，如表2所示。對直接導(dǎo)出模型進(jìn)行模態(tài)分析得到管道前5階模態(tài)的頻率如表1所示。

通過對模態(tài)分析振型結(jié)果進(jìn)行分析對管道應(yīng)力模型邊界進(jìn)行校核。其中第4階頻率2.134所展現(xiàn)出來的振型如圖2所示，其與真實設(shè)計不相符合，因為此處設(shè)計采用三通，不應(yīng)該出現(xiàn)支管脫離主管自由擺動的情況。

2.2 管道應(yīng)力模型（直接導(dǎo)出模型修正后）

經(jīng)過校核，此處錯誤是由于技術(shù)人員在CAWORX中管道建模時疏忽所致，目視檢查模型似乎管道的主管及支管已由三通連接在一起，而實際上并未連接。而此種與實際設(shè)計不符的錯誤，CAESAR II計算自檢不會報錯。在CAESAR II中將脫開的節(jié)點(diǎn)改為三通連接節(jié)點(diǎn)將主管及支管連接在一起就能更正此類錯誤，對修正后的直接導(dǎo)出模型進(jìn)行模態(tài)分析得到管道前5階模態(tài)的頻率如表1所示，模型修正后，原有不正確的第4階頻率2.134已經(jīng)消失。

對修正后的直接導(dǎo)出模型進(jìn)行靜態(tài)分析得到的一、二次應(yīng)力的計算結(jié)果分別為75.9%，114.4%，如表2所示，二次應(yīng)力超標(biāo)，后期需要采取相應(yīng)措施對管道進(jìn)行改造以滿足應(yīng)力要求。從表2可以看出，在其它所有參數(shù)（溫度、壓力、材料等）均一致的情況下，管道應(yīng)力模型的邊界條件對應(yīng)力結(jié)果有著重大的影響，由三維管道軟件直接導(dǎo)出的管道應(yīng)力模型如果不經(jīng)過認(rèn)真校核并修正，將會出現(xiàn)應(yīng)力分析結(jié)果虛假合格，而實際超標(biāo)的情況，如果誤應(yīng)用于實際工程將嚴(yán)重影響到管道系統(tǒng)的長期、安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文將模態(tài)分析應(yīng)用于管道應(yīng)力計算模型的校核中。通過對模態(tài)振型的分析可校核出管道應(yīng)力模型中的邊界錯誤，從而避免了計算模型與實際設(shè)計不符的情況，保證了管道應(yīng)力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]ASME B31.3-2014， Process Piping， The American Society of Mechanical Engineers[S].

[2]CAESAR II User Manual， 2017.

[3]陳盛廣，王軍民，陳福江，等.模態(tài)分析技術(shù)在主蒸汽管道振動治理中的應(yīng)用[J].第九屆電站金屬材料學(xué)術(shù)年會，2011：540-543.