高溫管路彈性支撐減振器減振特性研究

付建宇，薛向明，戰景明，吳慶東，段宇建，曾志偉

（中國輻射防護研究院，太原 030006）

在工程實踐中，通常采用隔振與減振的方法對結構系統進行振動控制。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結構中所產生的能量來達到減振的效果。通過分析管路振動產生機理可以了解到，引起管路振動的振源不具有唯一性[1]，內部結構和外部環境的變化都會對壓力管道的穩定安全運行產生威脅[2－4]，需要相關研究人員分別從兩方面著手，分析振動故障產生的原因，使得防止振動產生的方法措施更加精準有效。

近年來管道振動問題研究正在不斷深入，Panda等[5]研究了兩端鉸支條件下脈動流體與管路系統非線性平面共振問題，發現內部共振的存在會產生新的不穩定區域并說明了內部共振的具體影響。杜冬菊[6]研究了潛艇液壓管道的振動特性，論述了振動噪聲的誘因，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，通過試驗與仿真方法對試件進行了靜力壓縮試驗和循環加載試驗，得到其力學性能特征。祝維文等[8]通過正弦激勵加載試驗，研究不同激振力、不同阻尼元件密度、不同預緊間距以及不同布置方式對新型減振器減振效果的影響，研究結果為研究管路系統的減振等相關問題提供了理論指導和實驗依據。

本文主要對抗高溫耐輻射管路彈性支撐帶阻尼的減振器進行減振特性研究，設計搭建專用試驗臺架及測試系統開展減振器的減振性能測試，并且將實驗結果與數值模擬結果進行比較，以此驗證仿真模型的可靠性。

1 試驗過程及方法

1.1 試驗內容

本高溫試驗臺提供額定載荷、高溫連接、特定載荷激勵等條件，模擬動力系統高溫管路振動，通過傳感器及測試系統獲得所安裝彈性支撐型減振器樣機的減振效果，并將其作為減振性能的評價依據。實驗過程包括：首先啟動加熱裝置，待10 分鐘左右加熱完成，然后再開啟激振模擬裝置對試驗管路進行激振，最后對試驗數據進行采集整理。

高溫管路彈性支撐型減振器試驗臺架（如圖1所示）及測試系統主要由試驗管路、結構框架、隔振裝置、加熱裝置、激振模塊、數據采集分析系統、安裝地基等組成。

圖1 臺架組成模型圖

用試驗管路模擬實際高溫管路，其為被測減振材料及元器件提供額定承載。管路總長度為2 200 mm（含兩端法蘭，用于安裝加熱裝置），中心部分為實心桿件，直徑為219 mm，長度為1 300 mm，兩端為兩個外徑為108 mm、內徑為98 mm、長度為460 mm 的鋼管，管路外部為安裝法蘭，技術規格按GB 9119－2000執行；為滿足高溫條件下反復應用、減少腐蝕的條件，材料選擇304 不銹鋼，經計算，試驗管路整體質量為400 kg±1 kg。具體模型如圖2所示。

圖2 管路實體模型圖

加熱裝置用于在管路兩個安裝點位產生局部高溫，溫度可控，并能夠長時間保持。采用溫度可控的電加熱管作為加熱裝置，其為標準設備，通過法蘭將其固定在試驗管路兩端。激振模塊是本試驗臺的核心設備之一，用于為管路輸入各種形式的載荷，模擬船上管路振動，包括振動臺及其配套裝置、激振頂桿等。采用高溫電荷型加速度傳感器，單個傳感器可以采集單方向的振動加速度值，傳感器可以承受482 ℃的高溫，頻響范圍5 Hz～10 kHz，通過過渡塊可以將3 個傳感器進行組合，組成一個三向測試傳感器模塊，可同時完成3 個方向上的振動加速度測量。

傳感器主要技術指標如表1所示。

表1 高溫傳感器參數表

1.2 測試方案

為了確保測量結果的準確性，根據管道振動的實際情況，首先在進行實驗之前按照實驗要求將管路系統安裝在振動臺上，以便模擬絕對的剛性。

然后在管路上布置之前設計好的測點，主要測量的參數為管道振動加速度的有效值（又稱均方根值Root-Mean-Square，RMS）。其中，測點選擇那種能夠避開節點且可以充分反映整個結構框架的點，在離安裝面板最遠處的管壁上布置管路測點A1、A2，在安裝面板與隔振器連接螺栓處任選一側布置測點B1、B2，在管路中央頂桿連接處頂部布置一個測點C，以保證每個樣品的激勵輸入加速度均保持一致。每個測點均進行x、y、z3個方向的測量，具體測點布置如圖3 所示。將傳感器一端固定在管路上，另外一端與數據采集分析儀的對應接口相連，利用與數據采集分析儀相連的安裝有振動特性分析軟件的計算機進行數據的監測與處理。

圖3 整體測點布置圖

最后利用振動臺對高溫管路施加穩定激勵力，通過得到的實驗數據來判定對比3種不同類型減振器的減振效果。其中減振特性測試分析流程如圖4所示。

圖4 測試分析流程圖

2 減振器性能測試結果分析

由于振動源激勵的存在，高溫實驗管道會出現相應的振動和噪聲。為了控制結構中的噪聲，需要了解噪聲源的源特性，包括對噪聲的頻率和加速度響應進行測量和分析，最后以頻率作為水平坐標，分析各點的頻譜圖。

考慮到一般噪聲的頻率分布非常廣，所以在實際的頻譜分析中不可能分析各個頻率。為了便于研究，對5 Hz～10 000 Hz 頻率進行分段并逐一研究。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f1/f2=2n時，可稱頻程為n倍頻程。其中比較常見的是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，利用ANSYS Workbench 仿真軟件得到各監測點的頻域響應曲線，并通過1/3倍頻程處理所得到測量點加速度的結構噪聲值。定義加速度的1/3 倍頻程結構噪聲值為：

式中：Ai為結構振動i方向的加速度，A0為基準加速度，其值為1.0×10-6。

針對減振器減振性能的測試結果，通過計算監測點在1/3 倍頻程下的結構噪聲值大小來分析各個響應點的振動情況?？紤]到管路的激勵方向是垂直于水平面沿坐標系的z軸正方向，因此選取相應測點的z方向響應值作為研究對象進行討論，對各模型減振前后的不同測點值取加權平均，得到不同頻率下的振級響應，如圖5所示。

圖5 各模型減振前后振級響應頻域圖

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下管體測點振動加速度級的能量平均值，d2為模型平置安裝狀態下基座面板測點振動加速度級的能量平均值。通過計算得到不同模型的減振效果，如表2所示。

表2 不同試驗模型在不同頻段的減振效果對比/dB

通過表2可知，對于支撐型管路減振器而言，在5 Hz～10 000 Hz 頻率范圍內模型3 減振效果較好，在5 Hz～315 Hz頻率范圍內模型1效果更佳。

3 試驗結果與仿真結果對比分析

為了更準確地分析實驗結果，對高溫管路減振器的3 種實驗工況進行了數值模擬。為了便于模擬，將臺架裝置結構模型進行相應簡化。根據不同減振器實體模型，經現場尺寸測量及材料等相關屬性查閱，確定了實體模型的各個參數，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 界面里進行整個高溫管路減振器減振性能的仿真分析。其中結構分析中相關參數設置如下：

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：為模擬試驗中實際的高溫環境，在管路內壁面施加260 ℃的高溫，同時設置室溫為18 ℃，對流換熱系數為10 W/(m2?K)，進行穩態熱分析。

（2）在Static Structural模塊中：將上一步計算得到的溫度場導入結構分析中，對基座底面施加固定約束，設置重力方向為y軸負方向，對減振器與管路連接部分施加綁定接觸，對減振器的彈性元件連接部分施加彈性接觸，打開分析設置（Analysis Settings），關閉自動時間步，將大變形設置為on，其他的保持默認設置。

（3）在Model 模塊和Harmonic Response 模塊中：設置5 Hz～10 kHz 和5 Hz～315 Hz 兩個頻段，接著對頻率進行1/3 倍頻程處理，對受力面施加1 g的載荷，在管路和基座上分別選取監測點作為減振前后的對照點，進行加速度振動響應監測。

在對3種不同類型的高溫管路減振器的簡化模型進行減振特性仿真分析之后，為進一步確定數值模擬結果的準確性，將根據有限元仿真計算得到的結果與試驗所得的數據進行對比，結果如圖7所示。

圖7 為3 種不同模型的仿真模擬結果與試驗結果的頻譜對照圖，可以看出：兩者在0～1 000 Hz 頻率范圍內基本吻合，在穩定載荷的激勵下，在1 000 Hz～10 000 Hz頻段范圍內，仿真模擬結果逐漸趨于穩定，試驗結果出現微小波動后達到穩定。

圖7 不同模型的仿真與試驗結果對比圖

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

表3 不同仿真模型在不同頻段的減振效果對比/dB

4 結語

有限元仿真計算的結果與試驗得到的減振性能測試結果基本一致，證明了仿真模擬的合理性，可以利用該有限元模型開展進一步的動力特性研究，為解決實際高溫管路因外部激勵而產生振動等問題提供參考，對工程實際應用有指導意義。

兩者在個別頻率下的振動響應值差別較大。經分析得到可能的原因有：

①試驗中利用加熱裝置對管路進行加熱，溫度具有不穩定性；

②試驗實體模型復雜，與簡化后的仿真模型存在結構上的差異；

③試驗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。