基于多物理场的管道强度与模态分析（三）管道的流固耦合模态分析

张杰

由于流体作用而引起管道的冲击振动，对其可靠性和安全性具有重大影响。本文对充液管道的流固耦合模态进行了分析，并研究了壁厚和管径对管道固有频率的影响，为管道的设计和安全评价提供参考依据。

一、引 言

异管道的振动问题一直是人们关注的热点，特别是充液管道的振动对其工作的可靠性和安全性具有重要的影响。当物体按照某一阶固有频率振动时，物体上各个点偏离平衡位置的位移是满足一定比例关系的，可以用一个向量表示，称之为模态。模态分析是研究结构动力学的一种近代方法， 通过计算或实验的方法得到结构的固有频率、阻尼比和模态振型等模态参数。模态分析的最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。本文对充液直管的流固耦合模态进行了分析，与无液时的管道进行了对比，并研究了壁厚和直径对管道固有频率的影响。

二、流固耦合模态分析

1.有限元模型

由于要分析的几何模型较为简单，可直接在软件中建立其几何模型。本例中的管道直径为 100mm，管道长度为5m，其建模方式如图 1所示，建立同尺寸的圆柱体。定义管道材料的弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7 800kg/m3。采用四节点壳单元对圆柱体的外表面进行网格划分，则得到了直管结构有限元模型。对管道的一段进行固定约束，另一端施加除轴向以外的约束。……