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基于时频转换的管路时域随机振动分析方法

王彤晖 王延荣 魏大盛

王彤晖,王延荣,魏大盛. 基于时频转换的管路时域随机振动分析方法[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(11):3495-3506 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0859
引用本文: 王彤晖,王延荣,魏大盛. 基于时频转换的管路时域随机振动分析方法[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(11):3495-3506 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0859
WANG T H,WANG Y R,WEI D S. Time-domain random vibration analysis method of pipeline based on time-frequency conversion[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(11):3495-3506 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0859
Citation: WANG T H,WANG Y R,WEI D S. Time-domain random vibration analysis method of pipeline based on time-frequency conversion[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(11):3495-3506 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0859

基于时频转换的管路时域随机振动分析方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0859
基金项目: 国家科技重大专项(J2019-Ⅳ-0012-0080)
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:weidasheng@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V214.1;TB123

Time-domain random vibration analysis method of pipeline based on time-frequency conversion

Funds: National Science and Technology Major Project (J2019-Ⅳ-0012-0080)
More Information
  • 摘要:

    减振结构的阻尼效果是管路振动设计的重点,传统频域随机振动计算方法考虑阻尼卡箍非线性因素较为困难。基于时频转换理论,提出了利用时域随机化方法将随机振动载荷谱转换为满足高斯分布的时域振动信号后进行动态计算的管路时域振动分析方法。利用简支梁模型计算了频域随机振动结果与时域随机振动结果,验证了时域随机振动分析方法的可行性,采样位置振动应力均方根值与频域结果误差在5%以内。针对实际管路结构分析了时域方法与频域方法的结果差异,并通过等效阻尼比的计算证明了时域方法在实际设计中的应用优势,采用时域方法分析了阻尼卡箍的摩擦系数、预紧力和不同卡箍构型对管路振动应力均方根值的影响,结果表明,构型和预紧力对振动影响较大,而摩擦系数影响较小,时域随机振动分析方法的参数设定更加灵活,能够差异化研究各类结构参数对管路振动的影响,提高管路减振结构设计效率。

     

  • 图 1  加窗、搭接过程示意图[13]

    Figure 1.  Schematic diagram of windowing and superposition process[13]

    图 2  随机振动信号的时频转换过程[12]

    Figure 2.  Time-frequency conversion process of random vibration signal[12]

    图 3  时域随机化生成的振动信号

    Figure 3.  Vibration signals generated by time domain randomization

    图 4  功率谱密度曲线对比

    Figure 4.  Comparison of power spectral density curves

    图 5  时域随机振动分析流程

    Figure 5.  Process of random vibration analysis in time domain

    图 6  简支梁有限元模型示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of finite element model of simply supported beam

    图 7  输出单元z方向应力PSD曲线

    Figure 7.  z direction stress PSD curves of the output element

    图 8  2 032号单元应力时域和频域响应曲线

    Figure 8.  Time domain and frequency domain stress response curves of element 2 032

    图 9  管路有限元模型

    Figure 9.  Finite element model of pipeline

    图 10  频域随机振动分析的应力均方根值分布

    Figure 10.  Stress RMS distribution for random vibration analysis in frequency domain

    图 11  选定的应力输出单元

    Figure 11.  Selected stress output element

    图 12  选定3个输出单元的频域随机振动响应

    Figure 12.  Random vibration responses of three selected output elements in frequency domain

    图 13  时长0.2 s的随机信号

    Figure 13.  Random signal of 0.2 s duration

    图 14  3个不同位置单元的时域随机振动计算结果

    Figure 14.  Computational results of time domain random vibration for three differently positioned elements

    图 15  管路阻尼卡箍结构

    Figure 15.  Damping clamp structure of pipeline

    图 16  摩擦系数对随机振动应力的影响

    Figure 16.  The influence of friction coefficient on random vibration stress

    图 17  216 478号单元的应力PSD曲线瀑布图

    Figure 17.  Waterfall diagram of stress PSD curve for element 216 478

    图 18  预紧力加载示意图

    Figure 18.  Schematic diagram of clamping load

    图 19  阻尼块内外表面接触压力随预紧力的变化

    Figure 19.  The contact pressure varies with the clamping load at internal and external surface of damping block

    图 20  预紧力对随机振动应力的影响

    Figure 20.  The influence of clamping load on random vibration stress

    图 21  215 740号单元的应力PSD曲线瀑布图

    Figure 21.  Waterfall diagram of stress PSD curve for element 215 740

    图 22  216 478号单元的摩擦系数与预紧力耦合影响

    Figure 22.  Coupling effect of friction coefficient and clamping load on element 216 478

    图 23  215 740号单元的摩擦系数与预紧力耦合影响

    Figure 23.  Coupling effect of friction coefficient and clamping load on element 215 740

    图 24  3种不同管路卡箍构型

    Figure 24.  Three types of clamp configuration at pipeline

    图 25  216 478号单元的应力谱密度曲线对比

    Figure 25.  Comparison of stress PSD curves for element 216 478

    表  1  随机振动功率谱密度

    Table  1.   Random vibration power spectral density

    频率/HzPSD/ (g2·Hz−1)
    100.008
    1000.08
    1 0000.08
    2 0000.02
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    表  2  频域随机振动计算结果

    Table  2.   Calculation results of random vibration in frequency domain

    单元号 z方向应力均方根值/MPa 特征频率/Hz
    2 032 19.93 554.7/1114
    2 100 13.61 554.7/1114
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    表  3  时域随机振动计算结果

    Table  3.   Calculation results of random vibration in time domain

    时域信号时长/s 单元号 z方向应力均方根值/MPa
    第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次 均值 标准差
    0.2 2 032 21.73 15.82 19.82 22.18 14.69 22.27 19.42 3.07
    2 100 14.86 10.82 13.55 15.17 10.13 15.24 13.30 2.07
    1 2 032 22.96 18.09 17.28 20.57 17.46 21.02 19.56 2.10
    2 100 15.72 12.36 11.81 14.07 11.93 14.37 13.38 1.45
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    表  4  时域分析与ABAQUS频域分析的应力均方根值对比

    Table  4.   Comparison of stress RMS values in time domain and ABAQUS frequency domain analysis

    时域信号
    时长/s
    单元号 时域应力
    均方根值/MPa
    ABAQUS频域
    计算均方根值/MPa
    误差/%
    0.2 2 032 19.42 19.93 −2.57
    2 100 13.30 13.61 −2.31
    1 2 032 19.56 19.93 −1.84
    2 100 13.37 13.61 −1.71
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    表  5  管路频域与时域分析的应力均方根值对比

    Table  5.   Comparison of stress RMS values for pipeline in time domain and frequency domain analysis

    单元号 时域计算S11
    均方根值/MPa
    频域计算S11均方根值/MPa
    模态阻尼比0.004 模态阻尼比0.006 模态阻尼比0.008 模态阻尼比0.01 模态阻尼比0.012 模态阻尼比0.014
    216 478 4.37 8.53 6.97 6.04 5.41 4.94 4.57
    215 740 7.13 11.28 9.2 7.96 7.12 6.5 6.01
    217 038 2.59 6.08 4.97 4.31 3.86 3.53 3.26
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    表  6  3种构型的应力均方根值结果

    Table  6.   Stress RMS values of three configurations

    单元号 S11应力均方根值/MPa
    构型A 构型B 构型C
    216 478 7.58 5.86 4.90
    215 740 6.33 5.74 4.43
    217 038 5.98 4.42 3.92
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-30
  • 录用日期:  2023-03-31
  • 网络出版日期:  2023-04-12
  • 整期出版日期:  2024-11-30

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