压力容器系统动力学特性分析

第25卷第1期天津理工大学学报2009年2月JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY文章编号:1673-095X(2009)01-0071-03压力容器系统动力学特性分析郝淑英,靳刚,刘海英(天津理工大学机械工程学院,天津300384)摘要:通过有限元分析发現电机及变速箱等结构对压力容器系统的动力学特性有不可忽略的影响,导致上封头出现局部弯曲及拉伸振型,如若发生共振,将产生很大的动应力,引起振动疲劳,影响结构的安全性关键词:压力容器;有限元;动力学中图分类号:TH3.1文献标识码:ADynamic characteristic analysis of pressure vessel systemHAO Shu-ying, JING Gang, LIU Hai-ying( School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)Abstract The finite element analysis results showed that the motor and gear box has great effect on the dynamic characteristicof pressure vessel system, it lead to local bending and tensile mode in top head cover; the dynamic stress and vibrating fatiguewill be induced in the case of resonating vibration, which will threat the safety of pressure vesselKey words: pressure vessel; finite element; dynamic characteristic压力容器上部的搅拌装置对系统的动力学特性质量矩阵和流体刚度矩阵,M,和K,分别为固体质具有重要的影响但目前所见的报导中,分析只局限量矩阵和固体刚度矩阵,P表示流体的质量密度于筒体2虽然流体和固体的质量矩阵和刚度矩阵都是带本文分别建立了包含电机、变速箱等装置的有状对称的,但是耦合矩阵φ的存在导致整个流固耦限元分析模型,研究了其对压力容器动力学特性的合方程是一个非对称的满阵方程.从方程(1)可以导影响,为压力容器的设计提供理论指导出流固耦合系统的特征方程1流固耦合系统的动力学方程K -g流固耦合模型包含3部分,即流体域、固体域和流固交界面.其中流体部分还包含上部的自由边界其中ω为特征值,在物理上对应的是流固耦和底部的固壁边界.对于流固耦合方程的积分弱形合系统的固有频率值,与特征值相对应的特征向量式,通过对固体结点位移、流体结点压力以及它们的即为系统的各阶振型插值函数,便可以得到流固耦合有限元动力学方2动力学特性分析压力容器的基本尺寸为:直径3m,高9m,液面(1)高度为7m.罐体、电机等分别采用厚壳单元及三维0 K,.实体单元,液体采用三维流体单元,分析中需给出流其中p为流体节点压力向量,a为固体节点固耦合的界面,并施加相应的约束,使结构的运动与位移向量,φ为流固耦合矩阵,M和K分别为流体流TYH中国煤化工CNMHG收稿日期:2008-08-09一作者:郝淑英(1962—),女,副教授,硕土生导师天津理工大学学报第25卷第1期2.1压力容器罐体的模态分析阶与8阶,9阶与10阶固有频率及模态均相同.发酵表1及图1给出了压力容器罐体的固有频率及罐除5,6阶为整体的弯曲振型,其余各阶均为呼吸振型.由于结构的轴对称性,其固有频率及振型具有或失稳振型,但其环向波数不同对称性,其中1阶与2阶,3阶与4阶,5阶与6阶,7表1发酵罐的固有频率Tab 1 Natural frequency of pressure vessel1阶2阶3阶5阶6阶8阶9阶10阶22.16722.1674.4794.47929.28129.28129.74229.74233.221(a)1,2阶模态(b)3,4阶模态(c)5,6阶模态(d)7,8阶模态(e)9,10阶模态图1发酵罐振动模态Fig 1 Modes of pressure vessel2.2整体结构的模态分析化工设备中的压力容器通常还配有电机、变速箱及搅拌器,如图2所示,这些设备自身的质量及刚度必将对系统的刚度矩阵及质量矩阵产生影响,最终影响到系统的动力学特性.图3给出的有限元分析模型在原筒体模型的基础上增加了电机、变速箱及机座.表2及图4给出了考虑了电机、变速箱及机座等影响的压力容器系统的固有频率及振型图图2结构图图3有限元分析模型Fig 2 System diagram Fig 3 Finite element model表2发酵罐系统的固有频率Tab 2 Natural frequency of pressure vessel system1阶2阶3阶5阶6阶7阶8阶9阶104.88822.16722.16723.56924.47924.47924.71325.59929.74将表2与表1比较可知,系统的第3、4、5、6、9型及相应的固有频率没有影响及10阶固有频率及振型与单个筒体的相同.电机及但由于电机及变速箱等结构的影响,系统出现变速箱等对系统动力学特性的影响则体现在第1、2、了第1及第2阶电机、变速箱及机座的局部弯曲振5、8及第9阶固有频率型,振动将引起上封头的变形,筒体无变形.第5及由图4知系统的第346、7、10、11阶固有频率第8中国煤化工电机的局部弯曲及振型与图1筒体的完全相同,为呼吸振型或筒体第失稳振型,即筒体上部结构对筒体的整体失稳的振曲和H今NMHG轴承座等的局部弯200年2月郝淑英,等:压力容器系统动力学特性分析73a)1阶模态b)2阶模态(c)34阶模态(d)5阶模态(e)6,7阶模态(f)8阶模态(g)9阶模态(h)10.1阶模态图4压力容器系统模态图Fig 4 Modes of pressure vessel systen压力容器是将加工成型的板材焊接在一起构成封头与筒体连接的环向焊缝处产生较大的动应力的,容器上包含纵向及环向焊缝.根据压力容器的几最终导致振动疲劳,对结构的安全性和可靠性产生何尺寸及工作压力可计算出筒体的纵向及环向应力不利的影响第九阶振型表现为上封头的拉伸,此阶分别为:振动将导致轴承座与上封头连接处及上环焊缝附近产生很大的拉应力41因此,压力容器筒体的设计不应忽略电机、变速(3)箱等组成部分对筒体动力学特性的影响否则,将影其中P为压力容器的工作压力;D为筒体的直响设备的使用寿命并给生产带来安全隐患径;t为筒体的壁厚3结论即筒体的环向焊缝承受的拉应力仅为纵向焊缝的二分之一,忽略焊接缺陷的影响,焊缝开裂应首先电机及变速箱等结构对压力容器系统的动力学出现在纵向焊缝处但工程中往往是上环焊缝首先特性有不可忽略的影响导致上封头出现局部弯曲开裂环缝是最后组对的焊缝各种累积公差等都必及拉伸振型如若发生共振将产生很大的动应力须在环缝组对时加以消化,组焊后的残余应力较大引起振动疲劳,影响结构的安全性,因此在设计时应不仅如此组对后环缝的错边量也比较大,附加弯曲考虑其对结构强度及安全性的影响应力及应力集中较高.再者,由于要借助于卡具进行参考文献:组装,点焊处易留下微裂纹等隐患,而纵缝组对时通常都不会用卡具大量实践已证明压力容器壳体的,任方学煮的三排流即员合动力特性薄弱环节是容器的环焊缝3,绝大多数事故都起因[2]中国煤化工9的动力性能分析[于此显然若在某些情况下,系统的第1、2阶局部弯[3]CNMHG:80-82,m高的剖析及对策[J]曲振型被激发,将会在上封头与轴承座连接处及上化工设备设计,1997,34:44-48