基于ADINA的弯管振动研究

2013年 10月第 41卷 第 19期机床与液压MACHINE T0OL& HYDRAULICSOet．2013Ve1．41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．19．040基于ADINA的弯管振动研究陆春月1,2，姚辉苗 ，寇子明 ，曾清平(1．太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024；2．中北大学机械工程与自动化学院，山西太原 030051；3．山西省矿山流体控制工程中心，山西太原 030024)摘要：采用Spalart—Almaras湍流模型模拟流体运动情况，建立了弯管和流体的有限元模型；用ADINA对阀门开启过程中流体冲击导致的弯管振动现象进行流固耦合仿真分析，分析了3种不同流速下的弯管振动情形，并绘制了相关节点的位移 一时间曲线。结果表明：随着弯管内流体流速的增大，弯管所受应力增大，弯管振动也越激烈。

关键词：ADINA软件；湍流；流固耦合；弯管振动中图分类号：TH137 文献标识码 ：A 文章编号：1001—3881(2013)19—141—3Research on the VibratiOn Of Elbow Pipe Based on ADINALU Chunyue ，YAO Huimiao ，KOU Ziming ，ZENG Qingping(1．Colege of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China；2．College of Mechanical Engineering Automation，North University of China，Taiyuan Shanxi 03005 1，China；3．Shanxi Province Mine Fluid Control Engineering Research Center，Taiyuan Shanxi 030024，China)Abstract：Spalart-Almaras turbulence model was used to simulate fluid motion．The finite element models of the fluid and elbowpipe were built．In the valve opening process，it was analyzed on the fluid structure interaction of fluid impact pipeline vibration phe—nomenon．The elbow pipe vibration under three diferent flow velocities was studied，and the correlative node displacement—time curveswere drawn．The resuhs show that with the flow velocity of the fluid in elbow pipe increasing，elbow pipe stress increases，the elbowpipe vibration is more intense.

Keywords：ADINA software；Turbulence；Fluid structure interaction；Elbow pipe vibration管道广泛应用于化工、环保、核电和油气储运等领域中，是一种非常重要的工程结构。管道系统在工作过程中，当遇到阀门突然关闭或开启、负载突然变化或者突然断电、停泵等情况时，管路中通常会发生水击或油击现象 ，此时往往会引起管道的强烈振动，加大管道的受力变形，减少管道抗疲劳特性和工作寿命，严重时会造成管道元件的破坏、断裂甚至造成重大事故。因此有必要对管道振动进行研究。

在管道振动过程中，存在着流体和管道相互的作用，研究管道振动就必须对管道和流体进行流固耦合 分析。作者运用流固耦合软件ADINA ，分别先对弯管和流体建立了两套有限元模型，然后模拟了不同流速条件下阀门开启时流体冲击导致的弯管振动现象，最后依据仿真结果，得出流体流速对弯管振动 的影响关系。

1 弯管振动分析1．1 模型及相关参数的选择弯管选择各向同性线弹性材料，模型中管道两侧竖直部分，大小都为 1 m，圆角轴线半径为0．2 m，中间水平部分长度为5 m，其余长度尺寸较小，管径0．2 m，壁厚0．012 m。弯管及液压油的材料参数见表 1、表 2。弯管入 口施加全部约束 ，出口约束除管道轴线方向 (此例中为 轴方向)外的其余两个方向。弯管模型采用瞬态分析并做小变形假设，弯管内壁为流固耦合边界。

表 1 弯管模型材料参数弹性模量／Pa泊松比密度／(kg·m1．72×10“0．37 800表 2 流体模型材料参数黏度系数／(kg·m～ ·s )密度／(kg·m。)0．000 85870在流体模型中进行加载，加载类型选速度，0～0．4 S内速度从 0逐渐加载到 (文中取了V=10、18、25 m／s三组速度)，0．4 S后保持速度V恒定，计算雷诺数一 =收稿日期：2012—09—20基金项目：国家自然科学基金资助项 目 (50775154)作者简介：陆春月 (1979一)，女，博士研究生，讲师，研究方向为机电一体化、集成制造。E—mail：luehunyue###nue．edu．cno· 142· 机床与液压 第4l卷其中：V为平均流速 ，的 1／2。

此处简单处理取稳定最大流速 1．4 流固耦合计算对流体做大变形假设。运算150个时间步，时间步长设为0．005 S，即流体流动时每隔0．005 s运算一次 ，运算 150次，总时间 =150 X 0．005=0．75 S，也即分析 0．75 S内管道振动情况。

二者都采用 ADINA．Native方式建模。

1．2 流体模型选择由上述计算的雷诺数知，流体应采用湍流模型分析，作者选用Spalart—Almaras湍流模型来模拟流体运动情况。

最初的s A模型方程基于不可压流动，是非守恒的，如下所示 ：等+ 老=c ～Sv+ 1 0( + ) )+C zOx 卜c (号)j
引入质量方程并改写相关变量五= ，得到守恒形式的控制方程如下 ：+ (五 )=Cbl + [ 。(( +五) )+C V五 ]．c (号)1．3 网格划分弯管选用3D Solid单元类型，划分网格用8节点的3D Solid单元 ，划分后单元节点数 为 5 088，3DSolid单元数为 3 744。流体则采用 3D Fluid单元类型，划分网格用 4节点的 FCBI—C单元 ，划分后单元节点数为4 398，FCBI-C单元数为 18 032。图 1为管道和流体的网格划分图。

图 1 网格划分在 ADINA软件中选择 ADINA Structure分析类型，应用以上的参数设定，对弯管模型进行分析，生成guanda0zhend0ng
— s．dat；接着点击新建，在 ADINA软件中选分析类型为 ADINA—CFD，对流体模型进行分析计算 ，生成 guandaozhendong一￡dat，此处弯管和流体的．dat文件是各自单独计算的；然后进行流固耦合 (FSI)计算，此时需同时选中以上两个 ．dat文件；最后等待软件计算完毕，生成相对应的．por结果文件。

2 运行结果分析处理2．1 弯专电力分析选择后处 理模块 ，打开 guandaozhen．dong—s．por(guandaozhendong一￡por可以查看压力云图，但主要分析结果都在固体模型结构中)，点击 Quick BandPlot按钮查看弯管各处的应力，由于3种流速下的应力分布规律基本相同，故只给出 =18 m／s时的应力云图，见图2。

FFECT1VE
SrRESSx 1人 RST CALC ‘Tl卜1E 0．7500O808080707Q707图2 有效应力表 3为 3种流速下弯管所受的最大最小有效应力值表。

表 3 有效应力极值由图表可知 ：弯管承受应力较大处为人口拐弯部分以及长直管段右侧拐弯部分，其余部分受力较均匀，并且随着弯管内流体流速增大，弯管所受应力也逐渐增大。

2．2 弯管位移分析进行位移分析前需定义节点 (Model Point)，此例定义了编号为2 841、3 721、1 465的3个节点，且L | rL．}r【}r第 19期 陆春月 等：基于 ADINA的弯管振动研究 -143·设定节点名称为A、F、G，分别代表弯管水平部分中间位置以及长直管段左右两侧拐弯处位置。

2．2．1 中间节点 (此处选择 V=18 m／s情形分析)位移分析在 ADINA中选择菜单 【Graph】 > 【ResponseCurve (Model Point)】，选择对应节点即可绘制位 I ：移一时间曲线。由于采用 登 0的 ADINA版本不支持中 远 -5文输入，为了显示清晰及 -10美观，使用 ADINA的List ～功能导 出数据点到 Excel图3中重新进行绘图，图 3为中间节点A处的位移 一时间曲线。

方向位移 z方 产． 『＼， 八／＼^／v节点 A处的位移 一时间曲线 ( =18 m／s)由图可知，在节点 A处 y方向位移很小 (位移最大仅为 一0．041 7 mm)，而 和 z方向上振动较明显 ( 方向最大位移为9．66 mm，Z方向最大位移为一 l3．7 mm，)总体上 z方向比 方向振动更激烈，曲线上存在多个波峰 、波谷 ，且随着时间增大，振幅也有相应增大的趋势。

2．2．2 不同节点处 (同上选择 =18 m／s情形分析 )位移分析由于 y方向振动不明显，故只分析节点在 和 z轴上的情况，图4为不同节点处 和z轴上的位移对比。

12． 6节 息 I．i节点F＼』 ／f
0．2 O．4-Vo． 7。

l0；5鑫 0趟·匣 一5’ 10． 15币 点 A 可 扁 G。 ／ 《 81。

(a) 方向位移比较 (b)z方 向位移 比较图4 位移 比较由图4可知：3个节点在 方向位移基本一致 ，而在z轴方向上则是中间节点 A的位移最大 (与实际情况中间部分振动最激烈相符)，其次是靠近人口的节点 G。

2．2．3 中间节点在不同流速下位移分析在其他条件均相同的 ：情况下，仅修改流体入1：3 i 1 0加载速度，运行 =10鬻 0m／s和 ：25 m／s这两组 最一10速度参数，通过 ADINA ：2”O分析计算 ，并绘制出模型中同一节点 A的位移 一时 图5问曲线，运行结果见图5。 同位 z万 司 E移_’l Ⅳ ：一一 ／ ＼／UV i时间／s节点A处位移 一时间曲线 (V=25 m／s)(只给出了V=25 m／s时图像， =10 m／s时图形走向趋势一样 ，只是振幅比V=18 m／s时小)。

利用 ADINA的极值显示功能查看节点振动的位移最大值，以及最大位移所对应的时间，表4列出了节点A不同流体流速时的位移最大值。

表4 节点 A 3种流速下的位移最大值分析上图及表4可得：随着流体流速的增大，节点 A的 3个坐标轴方向的振幅也随着增大，节点的振动也加剧。

3 结束语应用 ADINA对弯管振动问题进行了详细的仿真分析 ，得出了以下几点结论 ：(1)随着时间的推移，节点振幅相应增大，弯管振动加剧。

(2)随着流体流速的增大，弯管所受应力增大，节点的振幅增大 ，振动也越激烈。

(3)弯管振动振幅最大处为水平长直部分的中间位置，此位置振动最激烈，可在此处增加一个支承来减轻管道的振动。

(4)弯管在 y轴方向上振动较小，在 轴和 z轴上则较明显，且z轴上的振幅比 轴上的稍大。

参考文献：【1】唐晓寅．工程流体力学[M]．重庆：重庆大学出版社，2007.

【2】张阿漫，戴绍仕．流固耦合动力学[M]．北京：国防工业出版社 ，2011.

【3】ADINA R&D，Inc．ADINA User Interface Command Ref-erence Manual Volume III：ADINA CFD& FSI Model Deft—nition[M]．ADINA R&D，Inc，2010.

【4】岳戈，陈权．ADINA应用基础与实例讲解[M]．北京：人民交通出版社 ，2008.

【5】岳戈，马野．ADINA流体与流固耦合功能的高级应用[M]．北京：人民交通出版社，2010.

【6】杨大伟，谢敬华，田科．流固耦合效应对输液管道的振动影响研究[J]．现代制造工程，2010(8)：144—148.

【7】SPALART P R，ALLMARAS s R．A One Equation Turbu—lent Model for Aerodynamic Flows[R]．AIAA一92～0439.

【8】李广宁，李杰，李风蔚．s—A湍流模型在N．S方程求解中的应用研究[J]．弹箭与制导学报，2006，26(2)：1180—1182，1186.