高溫管路彈性支撐減振器減振特性研究

付建宇，薛向明，戰(zhàn)景明，吳慶東，段宇建，曾志偉

（中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006）

在工程實(shí)踐中，通常采用隔振與減振的方法對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)控制。其中減振是以各種不同形式的阻尼作為媒介，利用阻尼材料吸收和消耗振動(dòng)結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的能量來(lái)達(dá)到減振的效果。通過(guò)分析管路振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理可以了解到，引起管路振動(dòng)的振源不具有唯一性[1]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境的變化都會(huì)對(duì)壓力管道的穩(wěn)定安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅[2－4]，需要相關(guān)研究人員分別從兩方面著手，分析振動(dòng)故障產(chǎn)生的原因，使得防止振動(dòng)產(chǎn)生的方法措施更加精準(zhǔn)有效。

近年來(lái)管道振動(dòng)問(wèn)題研究正在不斷深入，Panda等[5]研究了兩端鉸支條件下脈動(dòng)流體與管路系統(tǒng)非線性平面共振問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部共振的存在會(huì)產(chǎn)生新的不穩(wěn)定區(qū)域并說(shuō)明了內(nèi)部共振的具體影響。杜冬菊[6]研究了潛艇液壓管道的振動(dòng)特性，論述了振動(dòng)噪聲的誘因，并詳述了表面阻尼處理方法。趙宇航[7]研究用在管路減振器中的金屬橡膠試件，通過(guò)試驗(yàn)與仿真方法對(duì)試件進(jìn)行了靜力壓縮試驗(yàn)和循環(huán)加載試驗(yàn)，得到其力學(xué)性能特征。祝維文等[8]通過(guò)正弦激勵(lì)加載試驗(yàn)，研究不同激振力、不同阻尼元件密度、不同預(yù)緊間距以及不同布置方式對(duì)新型減振器減振效果的影響，研究結(jié)果為研究管路系統(tǒng)的減振等相關(guān)問(wèn)題提供了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本文主要對(duì)抗高溫耐輻射管路彈性支撐帶阻尼的減振器進(jìn)行減振特性研究，設(shè)計(jì)搭建專用試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展減振器的減振性能測(cè)試，并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以此驗(yàn)證仿真模型的可靠性。

1 試驗(yàn)過(guò)程及方法

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本高溫試驗(yàn)臺(tái)提供額定載荷、高溫連接、特定載荷激勵(lì)等條件，模擬動(dòng)力系統(tǒng)高溫管路振動(dòng)，通過(guò)傳感器及測(cè)試系統(tǒng)獲得所安裝彈性支撐型減振器樣機(jī)的減振效果，并將其作為減振性能的評(píng)價(jià)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括：首先啟動(dòng)加熱裝置，待10 分鐘左右加熱完成，然后再開(kāi)啟激振模擬裝置對(duì)試驗(yàn)管路進(jìn)行激振，最后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集整理。

高溫管路彈性支撐型減振器試驗(yàn)臺(tái)架（如圖1所示）及測(cè)試系統(tǒng)主要由試驗(yàn)管路、結(jié)構(gòu)框架、隔振裝置、加熱裝置、激振模塊、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、安裝地基等組成。

圖1 臺(tái)架組成模型圖

用試驗(yàn)管路模擬實(shí)際高溫管路，其為被測(cè)減振材料及元器件提供額定承載。管路總長(zhǎng)度為2 200 mm（含兩端法蘭，用于安裝加熱裝置），中心部分為實(shí)心桿件，直徑為219 mm，長(zhǎng)度為1 300 mm，兩端為兩個(gè)外徑為108 mm、內(nèi)徑為98 mm、長(zhǎng)度為460 mm 的鋼管，管路外部為安裝法蘭，技術(shù)規(guī)格按GB 9119－2000執(zhí)行；為滿足高溫條件下反復(fù)應(yīng)用、減少腐蝕的條件，材料選擇304 不銹鋼，經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)管路整體質(zhì)量為400 kg±1 kg。具體模型如圖2所示。

圖2 管路實(shí)體模型圖

加熱裝置用于在管路兩個(gè)安裝點(diǎn)位產(chǎn)生局部高溫，溫度可控，并能夠長(zhǎng)時(shí)間保持。采用溫度可控的電加熱管作為加熱裝置，其為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通過(guò)法蘭將其固定在試驗(yàn)管路兩端。激振模塊是本試驗(yàn)臺(tái)的核心設(shè)備之一，用于為管路輸入各種形式的載荷，模擬船上管路振動(dòng)，包括振動(dòng)臺(tái)及其配套裝置、激振頂桿等。采用高溫電荷型加速度傳感器，單個(gè)傳感器可以采集單方向的振動(dòng)加速度值，傳感器可以承受482 ℃的高溫，頻響范圍5 Hz～10 kHz，通過(guò)過(guò)渡塊可以將3 個(gè)傳感器進(jìn)行組合，組成一個(gè)三向測(cè)試傳感器模塊，可同時(shí)完成3 個(gè)方向上的振動(dòng)加速度測(cè)量。

傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高溫傳感器參數(shù)表

1.2 測(cè)試方案

為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)管道振動(dòng)的實(shí)際情況，首先在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前按照實(shí)驗(yàn)要求將管路系統(tǒng)安裝在振動(dòng)臺(tái)上，以便模擬絕對(duì)的剛性。

然后在管路上布置之前設(shè)計(jì)好的測(cè)點(diǎn)，主要測(cè)量的參數(shù)為管道振動(dòng)加速度的有效值（又稱均方根值Root-Mean-Square，RMS）。其中，測(cè)點(diǎn)選擇那種能夠避開(kāi)節(jié)點(diǎn)且可以充分反映整個(gè)結(jié)構(gòu)框架的點(diǎn)，在離安裝面板最遠(yuǎn)處的管壁上布置管路測(cè)點(diǎn)A1、A2，在安裝面板與隔振器連接螺栓處任選一側(cè)布置測(cè)點(diǎn)B1、B2，在管路中央頂桿連接處頂部布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)C，以保證每個(gè)樣品的激勵(lì)輸入加速度均保持一致。每個(gè)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行x、y、z3個(gè)方向的測(cè)量，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示。將傳感器一端固定在管路上，另外一端與數(shù)據(jù)采集分析儀的對(duì)應(yīng)接口相連，利用與數(shù)據(jù)采集分析儀相連的安裝有振動(dòng)特性分析軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與處理。

圖3 整體測(cè)點(diǎn)布置圖

最后利用振動(dòng)臺(tái)對(duì)高溫管路施加穩(wěn)定激勵(lì)力，通過(guò)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)判定對(duì)比3種不同類型減振器的減振效果。其中減振特性測(cè)試分析流程如圖4所示。

圖4 測(cè)試分析流程圖

2 減振器性能測(cè)試結(jié)果分析

由于振動(dòng)源激勵(lì)的存在，高溫實(shí)驗(yàn)管道會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的振動(dòng)和噪聲。為了控制結(jié)構(gòu)中的噪聲，需要了解噪聲源的源特性，包括對(duì)噪聲的頻率和加速度響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量和分析，最后以頻率作為水平坐標(biāo)，分析各點(diǎn)的頻譜圖。

考慮到一般噪聲的頻率分布非常廣，所以在實(shí)際的頻譜分析中不可能分析各個(gè)頻率。為了便于研究，對(duì)5 Hz～10 000 Hz 頻率進(jìn)行分段并逐一研究。劃分的頻率范圍的段落稱為頻帶，其中頻帶中都有一中心頻率，如式(1)所示：

其中：f1、f2分別為頻帶的上限和下限。當(dāng)f1/f2=2n時(shí)，可稱頻程為n倍頻程。其中比較常見(jiàn)的是1倍和1/3倍頻程，即n=1或1/3。

本文在分析高溫管路減振器的減振特性時(shí)，利用ANSYS Workbench 仿真軟件得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻域響應(yīng)曲線，并通過(guò)1/3倍頻程處理所得到測(cè)量點(diǎn)加速度的結(jié)構(gòu)噪聲值。定義加速度的1/3 倍頻程結(jié)構(gòu)噪聲值為：

式中：Ai為結(jié)構(gòu)振動(dòng)i方向的加速度，A0為基準(zhǔn)加速度，其值為1.0×10-6。

針對(duì)減振器減振性能的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)在1/3 倍頻程下的結(jié)構(gòu)噪聲值大小來(lái)分析各個(gè)響應(yīng)點(diǎn)的振動(dòng)情況。考慮到管路的激勵(lì)方向是垂直于水平面沿坐標(biāo)系的z軸正方向，因此選取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的z方向響應(yīng)值作為研究對(duì)象進(jìn)行討論，對(duì)各模型減振前后的不同測(cè)點(diǎn)值取加權(quán)平均，得到不同頻率下的振級(jí)響應(yīng)，如圖5所示。

圖5 各模型減振前后振級(jí)響應(yīng)頻域圖

為了判定不同模型的減振性能，把減振效果定義為d=d1-d2，其中d1為模型平置安裝狀態(tài)下管體測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)的能量平均值，d2為模型平置安裝狀態(tài)下基座面板測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)的能量平均值。通過(guò)計(jì)算得到不同模型的減振效果，如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌l段的減振效果對(duì)比/dB

通過(guò)表2可知，對(duì)于支撐型管路減振器而言，在5 Hz～10 000 Hz 頻率范圍內(nèi)模型3 減振效果較好，在5 Hz～315 Hz頻率范圍內(nèi)模型1效果更佳。

3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比分析

為了更準(zhǔn)確地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)高溫管路減振器的3 種實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。為了便于模擬，將臺(tái)架裝置結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化。根據(jù)不同減振器實(shí)體模型，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)尺寸測(cè)量及材料等相關(guān)屬性查閱，確定了實(shí)體模型的各個(gè)參數(shù)，利用建模軟件建立高溫管路及減振器的三維模型（如圖6 所示），在ANSYS Workbench 界面里進(jìn)行整個(gè)高溫管路減振器減振性能的仿真分析。其中結(jié)構(gòu)分析中相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

圖6 不同類型支撐下的高溫管道模型圖

（1）在Steady-State Thermal 模塊中：為模擬試驗(yàn)中實(shí)際的高溫環(huán)境，在管路內(nèi)壁面施加260 ℃的高溫，同時(shí)設(shè)置室溫為18 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)為10 W/(m2?K)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。

（2）在Static Structural模塊中：將上一步計(jì)算得到的溫度場(chǎng)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)基座底面施加固定約束，設(shè)置重力方向?yàn)閥軸負(fù)方向，對(duì)減振器與管路連接部分施加綁定接觸，對(duì)減振器的彈性元件連接部分施加彈性接觸，打開(kāi)分析設(shè)置（Analysis Settings），關(guān)閉自動(dòng)時(shí)間步，將大變形設(shè)置為on，其他的保持默認(rèn)設(shè)置。

（3）在Model 模塊和Harmonic Response 模塊中：設(shè)置5 Hz～10 kHz 和5 Hz～315 Hz 兩個(gè)頻段，接著對(duì)頻率進(jìn)行1/3 倍頻程處理，對(duì)受力面施加1 g的載荷，在管路和基座上分別選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為減振前后的對(duì)照點(diǎn)，進(jìn)行加速度振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)。

在對(duì)3種不同類型的高溫管路減振器的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行減振特性仿真分析之后，為進(jìn)一步確定數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將根據(jù)有限元仿真計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 為3 種不同模型的仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的頻譜對(duì)照?qǐng)D，可以看出：兩者在0～1 000 Hz 頻率范圍內(nèi)基本吻合，在穩(wěn)定載荷的激勵(lì)下，在1 000 Hz～10 000 Hz頻段范圍內(nèi)，仿真模擬結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)微小波動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定。

圖7 不同模型的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

如表3 所示，對(duì)于支撐型管路減振器而言，在5 Hz～10 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，模型3 減振效果較好，在5 Hz～315 Hz頻率范圍內(nèi)，模型1效果更佳，這與試驗(yàn)得到的結(jié)論是一致的。

表3 不同仿真模型在不同頻段的減振效果對(duì)比/dB

4 結(jié)語(yǔ)

有限元仿真計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)得到的減振性能測(cè)試結(jié)果基本一致，證明了仿真模擬的合理性，可以利用該有限元模型開(kāi)展進(jìn)一步的動(dòng)力特性研究，為解決實(shí)際高溫管路因外部激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)等問(wèn)題提供參考，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用有指導(dǎo)意義。

兩者在個(gè)別頻率下的振動(dòng)響應(yīng)值差別較大。經(jīng)分析得到可能的原因有：

①試驗(yàn)中利用加熱裝置對(duì)管路進(jìn)行加熱，溫度具有不穩(wěn)定性；

②試驗(yàn)實(shí)體模型復(fù)雜，與簡(jiǎn)化后的仿真模型存在結(jié)構(gòu)上的差異；

③試驗(yàn)中減振器與管路的連接存在一定的間隙，并不是完全的綁定接觸。