Разработка методик численного моделирования виброакустических характеристик трубопроводов с пульсирующим потоком жидкости

• Автор: Миронова, Татьяна Борисовна
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 202 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Виброакустическая нагруженность трубопрводных систем и методы ее снижения б
1.1. Источники виброакустической нагруженности трубопроводных систем б
1.2. Анализ методов снижения виброакустической нагруженности 17 трубопроводных систем
1.3. Анализ методов математического моделирования виброакустических 22 характеристик трубопроводных систем
2. Разработка методики конечноэлсментного моделирования виброакустических
характеристик криволинейных трубопроводов при их нагружении пульсирующим
потоком жидкости с использованием лагранжевых базисных функций
Выводы
3. Разработка методики конечноэлементного моделирования виброакустических
характеристик трубопроводных систем сложной пространственной конфигурации
при их нагружении пульсирующим потоком жидкости и возбуждении со стороны присоединенных агрегатов на базе использования линейных конечных элементов Выводы
4. Экспериментальное исследование динамических характеристик элементов 117 трубопроводных систем
4.1. Исследование собственных частот и форм колебаний элементов 117 трубопроводных систем
4.2. Исследование виброакустической нагруженности элементов 126 трубопроводных систем при их возбуждении пульсациями давления рабочей жидкости
4.3 Разработка экспериментальной методики определения собственных частот
системы с помощью вейвлет - анализа данных теста с вариацией скорости
4.4. Исследование виброакустических характеристик системы регулирования
двигателя НК-14СТ

Выводы
Основные результаты и выводы
Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной техники связано с ростом мощности и энергонасыщенности всех систем, в том числе и пневмогидро-механических. Важным элементом этих систем являются трубопроводы. Одним из основных факторов, значительно снижающих надежность и работоспособность трубопроводов, являются виброакустические нагрузки (вибрационные нагрузки, колебания давления и расхода рабочей жидкости). Они служат причиной усталостных разрушений, повреждений агрегатов и арматуры, нарушения герметичности уплотнений.
Максимальные уровни вибрации регистрируемые на входных и выходных трубопроводах компрессоров могут превышать 90 мм/с, что приводит к динамическим напряжениям 25 МПа и выше. В спектрах вибрации доминируют составляющие на лопаточных частотах нагнетателей в диапазонах 150—2000 Гц и кратных им частотах. При колебаниях давления в нагнетательной сети поршневых компрессоров в межступенчатых коммуникациях теряется до 40% индикаторной мощности, повышается температура нагнетания, ухудшаются условия работы клапанов, нарушается их герметичность, искажаются показания расходомеров и манометров. Пульсации давления вызывают вибрацию трубопроводов, которая ведет к генерации шумов, повреждению агрегатов и арматуры, нарушению герметичности уплотнений, самих трубопроводов.
Одной из важных технических задач в настоящее время является прогнозирование виброакустической нагруженности трубопроводных систем с пульсирующим потоком жидкости на стадии проектирования. Известные методики расчета обладают значительными упрощениями и допущениями: заменой воздействия от пульсирующего потока
сосредоточенной силой, отсутствием учета волновых свойств рабочей жидкости, резонансных свойств механической подсистемы трубопроводов и др. Это приводит к погрешности расчета относительно эксперимента в 100% и более.
Таким образом, разработка методов математического моделирования виброакустических характеристик трубопроводных систем, и создание на их основе средств снижения виброакустических нагрузок является актуальной научно-технической задачей.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Предложена математическая модель виброакустических процессов в трубопроводных системах, отличающаяся учетом сопротивления при малых колебаниях по модели Фохта.
2. Разработан семиузловой конечный элемент, позволяющий рассчитывать пространственно криволинейные трубопроводы при нагружении их пульсирующим потоком рабочей жидкости

3. Разработан линейный конечный элемент, позволяющий рассчитывать виброакустические характеристики трубопроводных систем сложной пространственной конфигурации при их силовом нагружении пульсирующим потоком жидкости и кинематическом возбуждении со стороны присоединенных агрегатов.
4.Разработаны методики конечноэлементного моделирования виброакустических характеристик трубопроводных систем сложной пространственной конфигурации при их силовом нагружении пульсирующим потоком жидкости и кинематическом возбуждении со стороны присоединенных агрегатов.
5. Разработаны и реализованы алгоритмы расчета и анализа связанных колебаний трубопроводных систем.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматические системы энергетических установок» Самарского государственного аэрокосмического университета в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ.
Исследования проводились на предприятии ОАО «СКБМ».
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии.
В первой главе проведен анализ источников и механизмов возникновения виброакустической нагруженности трубопроводных системах, методов ее снижения. Дан анализ существующих методик моделирования виброакустических характеристик трубопроводных систем. Покараны достоинства и недостатки рассмотренных математических моделей. На основании проведённого анализа в первой главе диссертации сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе рассмотрены вопросы моделирования и анализа виброакустических характеристик трубопроводных систем. Разработана методика конечноэлементного моделирования виброакустических характеристик трубопроводных систем сложной пространственной конфигурации при их силовом нагружении пульсирующим потоком жидкости.
Разработанная методика основана на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику пространственно сложных разветвленных трубопроводных систем методом конечных элементов. В качестве примера решение данной задачи более подробно рассмотрено для случая малых колебаний пространственно криволинейных трубопроводов с осевой линией, лежащей в одной плоскости, при их силовом нагружении пульсирующим потоком рабочей жидкости. С помощью разработанной методики моделирования получен семиузловой пространственный конечный элемент позволяющий рассчитывать

Ещ - символы Леви - Чивита,
и>0 иЛч’ - постоянная и пульсационная составляющая скорости жидкости соответственно; р и Ар - постоянная и переменная составляющая давления соответственно;
ё'=&,+4>,
м = м„ + лм,
X = Хо + АХ и т-Д-> гДе ДО > АМ' Ах - динамические составляющие соответствующих векторов; векторы О,,, М„, Хо имеют компоненты в базисе {е.}_ равные статическим значениям;
(р!, <р2. (р} — углы поворота подвижных координатных осей,
Ц - распределенный момент, действующий на трубопровод,
а = + а2е2 + а>3ё] - вектор угловой скорости вращения связанной системы координат;
где Втр - приведенный модуль упругости трубопровода:
В = в тр 1 [ (й-28)В ’

В - модуль объемной упругости рабочей среды;
Е - модуль упругости материала стенки трубопровода;
5(л) - толщина стенки трубопровода;
уДх,/) - вектор распределённых сил, вызванных силовыми полями;
Ац - жесткость трубопровода при кручении;
А22 и А33 - жесткость трубопровода при изгибе относительно главных осей; ттрн - нестационарное касательное напряжение на стенке трубы.
В систему уравнений (2.1) входят: условия равновесия участка криволинейного трубопровода, связь сил и моментов с упругими перемещениями, выражения для действующих массовых сил, уравнения движения жидкости в упругом трубопроводе. Методика решения системы уравнений (2.1) основана на использовании метода конечных разностей.
Значительное снижение вычислительной трудоемкости конечно-разностной модели достигается при рассмотрении трубопровода с точки зрения механики стержней. В этом случае трубопровод рассматривается как стержень, поперечные колебания которого [65] считаются превалирующими. Радиальными деформациями поперечного сечения пренебрегают. Данное допущение является адекватным при относительно малых диаметрах