基于ANSYS CFX的5000 mm轧机液压回油管路的流固耦合振动问题的研究.pdf

2 0 1 3年 6月 第4 1 卷 第 1 1期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u n e 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ．1 l D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 3 8 基于 A N S Y S C F X的 5 0 0 0 m m轧机液压回油管路的 流固耦合振动问题的研究 佟琨，梁东伟，宋锦春 ，倪克 东北大学机械工程与 自 动化学院，辽宁沈阳 1 1 0 8 1 9 摘要分析了5 0 0 0 m m轧机立辊 A WC部分回油管振动问题，考虑流固耦合对振动的影响，在 A N S Y S C F X中对这段液 压回油管路的一截进行了分析，找到了几种解决轧机液压回油管振动问题的方法。 关键词轧机；A N S Y S C F X；流固耦合 ；回油管振动 中图分类号T U 6 2 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 1 3 6 4 Re s e a r c h o n Fl u i d- s t r uc t u r e Co up l i n g Vi b r a t i o n Pr o bl e m o f t he 5 0 0 0 mm Ro l l i ng M i l l Hy dr a u l i c Re t u r n Pi p e Ba s e d o n ANS YS CFX T ONG Ku n，L I AN G D o n g we i ，S ONG J i n c h u n。NI Ke S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t e rn U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 1 9，C h i n a Ab s t r a c t Vi b r a t i o n p r o b l e m o f t h e 5 0 0 0 mm mi l l e d g i n g r o l l AW C p a r t r e t u m p i p e w a s a n a l y z e d c o n s i d e r i n g t h e fl u i d s t r u c t u r e c o u p l i n g ． A p a r t o f h y d r a u l i c r e t u m p i p e w a s a n a l y z e d i n ANS YS C F X． T h r o u g h a n a l y s i s ，s e v e r a l s o l u t i o n s t o mi l l h y d r a u l i c r e t u r n p i p e v i b r a t i o n we r e f o u n d ． Ke y wo r d s Mi l l ； ANS YS C F X ；F l u i d s t r u c t u r e c o u p l i n g ； Re t u r n p i p e v i b r a t i o n 流体在管道中流动，流体会把压力和热应力传递 给管道。管道受力后会产生结构变形 ，当变形足够大 的时候，管道的变形就会影响流体的流动。流体流动 的改变又会影响管道的变形 ，反过来 ，管道的变形 又 会影响流体的流动，如此往复，便形成了流体和管道 的流固耦合u 。 宽厚板轧机液压站中回油管振动问题频发，一直 到现在还未解决。其中立辊 A WC回油管的振动尤其 严重 ，造成立辊 A WC回油 管法兰泄漏 、回油管管 夹 振裂、回油管焊缝气孔泄漏和管路接头密封损坏等问 题，造成严重的经济损失。研究立辊 A WC回油管振 动的原因已经变得刻不容缓。作者利用 A N S Y S C F X 工具来仿真分析回油管振动情况，找到了引起振动的 主要原因 ，并 提出相应 的解决办法 。 1 液压冲击 液压冲击产生的原因是管内液流速度急剧变化 ， 使流体的动能变为压力能 ，产生急剧的压力变化。液 压冲击所造成的压力急剧交替升降波动过程是一种非 恒定流动。 流动参数产生阶跃变化的动态过程中，其 压力瞬时的最大升值可达到管路中正常压力的许多 倍 ，而且压力升降的频率较高。液压冲击是液压系统 中常见故障之一 ，对液压系统的正常工作和可靠性具 有严重的危害，它是仅次于污染的第二大杀手。液压 冲击产生的原因主要有以下几种类型 1 液流通道迅速关闭或液流迅速换 向使液流 速度 的大小或方 向突然变化时 ，由于液流 的惯性力引 起 的液压 冲击 ； 2 运动着的工作部件突然制动或换 向时，因 工作部件的惯性引起的液压冲击； 3 液压系统的执行元件 液压缸或马达 带 载起动时，由于短时间内克服较大负载所引起的液压 冲击 。 水锤作用是液压冲击 的一个突出表现。 由于钢板 轧制过程中，液压系统的响应速度必须很高，伺服阀 总是工作在平衡点附近，阀口不停地开启、关闭，因 此水锤作用是不可避免的，而流固耦合的作用也是不 能忽略的。作者利用A N S Y S 软件对水锤作用下的管 道和流体之间产生的动态流固耦合现象进行研究 ，分 析流体对管道的影响。 2 流固耦合建模 2 ． 1 流体耦合 F S I 的建模方法 按照物理场耦合的程度可将耦合场分为3种弱 耦合场，主要包括小变形、C H T等方面；强耦合场 ， 主要包括刚体、叶片变形等；超强耦合场，主要包括 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 0 基金项目教育部基本科研业务费研究生科研创新项 目 N 1 0 0 6 0 3 0 0 7 作者简介佟琨 1 9 8 3 一 ，男 ，博士研究生。E - m a i l k o b e t o n g 1 1 2 0 1 6 3 ． c o m。 第 1 1 期 佟琨 等基于 A N S Y S C F X的5 0 0 0 IT I m轧机液压回油管路的流固耦合振动问题的研究 1 3 7 涡激振动、生物医学 ，高度变形刚体等。这 3种耦合 场共 有 4种 建模 方法 1 全耦合法 F u l l y C o u p l e d 。属于双向耦合 ， 流体和固体的结构方程在同一个庞大的矩阵中计算 ， 两物理 场之 间联系得 很 紧密 。但 是求 解这 个 庞 大 的 矩阵是很 困难 的，此法不适用 于 A N S Y S C F X C o u p l i n g。 2 双 向隐式迭代 法 T w o - Wa y I t e r a t i v e l y I m - p l i c i t 。流体和固体的方程分开求解 ，在每个时间步 里都得到一个隐式解，适用于A N S Y S C F X C o u p l i n g 。 3 双向显式法 T w o - Wa y E x p l i c i t 。和双向隐 式迭代法相似，但是在每个时间步里流体和固体之间 没有进行迭代求解。可使用只带有一个交错循环的 A N S Y S ． C F X求解，一般不推荐使用。双向显式法需 要很 多相对较小 的时 间步长 。 4 单向耦合法 O n e - Wa y 。先求出一个场 的 结果 ，然后把结果作为一个边界条件或者外力传递给 另一个 物理场。这 种方法适用 于弱耦 合场，易于 操作。 考虑流体和管道的耦合情况 、计算机 的配置情 况 ，选择 双 向隐式 迭代法，采用多 物理场求 解器 MF X，在 Wo r k b e n c h中进行 。 2 ． 2 建物理模型 在 Wo r k b e n c h中的G e o m e t r y里建模 ，或者导入利 用其他画图软件建的模型。Wo r k b e n c h可以直接导入 C A T I A V 4 、C A T I A V 5 、S T E P 、I G E S 、U G、P r o ／ E等格 式的 C A D几何模型文件。由于管道的模型非常简单， 作者利用 Wo r k b e n c h中的 G e o m e t ry建模 。管道材料为 不锈钢管 ，流体为 H P I A 6液压油。管道和液压油的 具体参数见表 1 。 表 1 管道和液压油的物理参数 变量 变量值 管道 液压油 管道 内径 1 2 9 ． 7 m m，壁厚 5 m m，长度 3 5 0 0 m m，两端固定。管道进 口端 的油液施加脉动压力 P M P a ，出 口端油液压力 为 1 MP a 。 r 1 MP a 8 s i n 1 O 0 , r r t t ≤0 ． O 1 S ， ， 、 P i 1 0 ． O 1 s 3仿真结果及分析 油液和管道之间的载荷相互迭代 1 7 0 0次时，结 果收敛。图1为计算过程中两个物理场的载荷在液固 耦合交界 面上 的交错循环迭代 过程，图 2为残差 曲线。 lJ _ _ - r ’ ；二 二 二_ 二二丰 ；二二 二 二 二 ； ； 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 Cumul a t i ve S t a g g er I t er at i o n l --F x 1 n t e r f a c e 2 一 I n t e r f a c e 卜 I n t e r f a c e ‘ 4 -- I n t e r f a c e 5 -- I n t e r f a c e 6 - -- I n t e r r a c e 图 1 交错循环迭代过程 1 ． 0 e 一 02 - 1．0e．0 3- 。 一 l ／ ， 1 叠 5 1 ． 0 e ． 0 4 ＼ 2 毒 1 ． 0 e ． 0争 1 6 0 2 0 3 o 0 4 o o s i 0 6 0 7 0 0 8 0 l RM SE． Di s s ． K 2 一 RM S K- Tur b gE 图2 残差曲线 将计算 结果导入 M e c h a n i c a l A P D L中进行后 处 理 ，选取管道中间的一点作为特征点，查看管道的运 动状态。图3 _ _ 5分别为特征点 、Y 、z 方 向上的振 动加速度 。 图 3 方 向加速度 由图3 5可知在一次水锤作用下，加速度峰 值分别达到了 3 1 ． 8 0 5 5 、0 ． 1 4 3 8和 6 9 ． 4 5 1 2 m ／ s ， 经历波动之后，分别在 t 4 8 、1 8 0和4 0 m s 时逐渐稳 定，稳定值都为0 。 1 | ●1 ● 1J ● 1l O 档 蚰 “ 8 o培 ． 曼 1 3 8 机床与液压 第 4 1 卷 图4 Y方向加速度 0 8 l 6 2 4 3 2 4 0 4 8 5 6 6 4 7 2 8 0 t ／ Il l s 图5 方向加速度 由以上可以看出特征点在 、Y 、z 方向上的振 动表现有所差异，在 z 方向上的加速度峰值和位移峰 值是最大的。与测量值 不过钢时最大振动加速度 和平均 振动 加速 度 分别 为 3 ． 7 2 7 8 、 一4 ． 3 1 6 4 0 、 0 ． 0 9 8 1 m ／ s ；过钢时最大和平均振动加速度分别为 7 1 1 ． 3 2 3 1 、 一2 0 3 ． 0 6 7 、0 ． 3 9 2 4 m ／ s 相 比有 很 大 差距。这是 因为，A N S Y S所仿真的只是一次水锤作 用下的管道振动情况 ，而测量值是很多次水锤作用所 产生的影响相叠加 的结果 。 空管和考虑流固耦合的管道系统的固有频率如表 2所示 ，其中百分比是指考虑流固耦合的频率与空管 的频率之 比。 表 2 管道系统的固有频率 由表2可以看出流固耦合作用对管道系统的固 有频率影响很大，前 6阶频率值都有所减少 ，但后 4 阶频率值增加很多。影响管道系统振动形式的主要是 前5阶固有频率 ，要尽量使管道的固有频率与激励源 的频率相差较大，以免引起管道系统的共振。 g 几种解决振动的方法 解决振动的方法主要有两种。 。 1 降低管道系统振动的能量。主要包括减 慢液压阀开启、关闭的速度 ，减少运动部件的突然制 动 ，降低管道的流速，这 3 种方法会降低液压系统的 响应速度，对于液压轧机不可取 ；在易产生液压冲击 的管路上设置蓄能器，以吸收冲击压力 ，此法会一定 程度地降低系统的响应速度；采用橡胶软管吸收液压 冲击能量，降低液压冲击力 ，此法在工程实际中有很 多应用 ，并取得不错的效果，但橡胶软管的数学模型 不好建立，不容易在理论上进行分析；利用避震喉、 液压脉动滤波器等消除一部分能量，但是油液压力不 能超过3 M P a ；还有可以增加管道的阻尼，国外有人 研究在管路上套弹簧 L o o s e S p r i n g S k i r t ，L S S 减振 的方法，管路和弹簧之间动量的转换是 L S S系统产生 阻尼的根本原因，但是当管路的振幅太小或太大时， 弹簧都起不到阻尼的作用 ；也有人研究在管道表面覆 盖合适的黏弹性阻尼材料来减振 ，杨超博士在一个注 水子系统中利用黏弹性材料取得了很好的减振效果。 2 增加管道系统的刚度，提高管道抵抗变形 的能力。适当增加管道的支撑点 ，可以提高管道系统 的刚度。国内外已有很多人研究管道的支撑方式对管 道振动的影响。对于 P V C管、P E管以及类似的轴向 刚度较小的充液管道系统，振动时系统的能量主要集 中在管道上 ，在管道轴向布置弹性约束可显著降低管 道的轴向振动，而且液体压能的增幅很小，有 良好的 减振效果。对于钢管、铜管以及类似的轴向刚度较大 的充液管道系统，振动时系统能量的分布情况与管道 两端的约束情况有关。约束的刚度系数越小 液体压 能转换成的管道动能就越多，随着约束刚度的增大， 管道振动能量减少 ，液体压能增大 ；管道两端 固定 时，系统的振动能量几乎全部集中在液体里 ，单纯增 大约束刚度，只能降低管道振动，并未消除系统振动 能量 ，系统仍处在潜在 的危险之 中，所 以要合适地增 加管道的 支撑 。增 加管 道 的壁厚 ，减小 管道 的径厚 比，可以提高管道 的刚度 ，增强管道 抵抗变形 的 能力 。 综上所述 ，作 者 采用 第二 种 方法 ，利用 A N S Y S 仿真增加壁厚之后 ，管道 振动 的状态 。 5 仿真验证 增加管道壁厚，并选取标准钢管，管道内径 1 3 5 m m，壁厚 1 2 m m，长度 3 5 0 0 m m，两端 固定 。管道 进口端的油液施加脉动压力 P ，出口端油液压力为 1 MP a。 建模及求解过程和上文一样，计算完后，将计算 结果导入 M e c h a n i c a l A P D L中进行后 处理 ，选取 管道 第 1 1 期 佟琨 等基于 A N S Y S C F X的5 0 0 0 m m轧机液压回油管路的流固耦合振动问题的研究 1 3 9 中间的一点作为特征点，查看管道 的运动状态。图 6 8分别为特征点 、Y 、 方向上的振动加速度。 旦 O 8 1 6 2 4 3 2 40 4 8 5 6 6 4 7 2 8 0 t l ms 目 0 0 40 8 0 1 2 01 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4 0 0 t ／ ms 。曲 目 0 8 1 6 2 4 3 2 40 4 8 5 6 6 4 7 2 8 O t ／ m s 图6 方向加速度 图7 ， ， 方向加速度 图8 方向加速度 由图 6 8可知 ，在一 次 水锤 作 用下 ， 方 向加 速度 峰 值 为 1 6 ． 3 2 4 7 m ／ s ，与增 加 壁 厚 之 前 的 3 0 ． 8 0 5 5 r n ／ s 相 比减少 了 4 7 ． 0 ％ ；Y方 向加 速 度 峰 值只有 0 ． 0 1 7 6 m ／ s ，与增加壁厚 之前 的 0 ． 1 4 3 8 m ／ s 相 比减 少 了 8 1 ． 5 ％；z方 向加 速 度 峰 值 为 2 8 ． 9 5 4 5 m ／ s ，与增加壁厚之前 的6 9 ． 4 5 1 2 m ／ s 相 比减少了 5 8 ． 3 ％ 。 综上所述 ，增加壁厚之后 ，除 了特征点在 向上 的振动加速度只减少 了4 7 ％之外 ， Y 、z 方 向上 的振动 加速度都减少了 5 3 ％以上。所 以，增加壁厚能明显 地降低振动。增加壁厚之后 ，管道系统的固有频率也 有所增加，如表 3 所示。 表3 管道系统的固有频率 由表 3可以看出增加壁厚之后，管道系统的各 阶固有频率都有所增加 ；从百分 比可以看出，流固耦 合作用对管道系统的固有频率影响有所减少。 6 总结 简单介绍 了流 固耦合和液压 冲击的原理，利用 A N S Y S C F X软件对立 辊 的一段 直 回油 管进 行 了仿真 与分析，发现流固耦合作用和水锤作用对管道的影响 很大。流固耦合作用和很多次的水锤作用叠加在一 起，引起管道的强烈振动；流固耦合作用还降低了管 道系统的固有频率。增加壁厚之后 ，除了特征点在 向上的振动加速度只减少 了4 7 ％之外 ，在 向上 的 振动位移与 Y 、 方向上的振动加速度和振动位移都 减少了5 3 ％以上；管道系统的各 阶固有频率都有所 增加；流固耦合作用对管道系统的固有频率影响有所 减少 。 参考文献 【 1 】 Y A N G K ， L I Q S ， Z H A N G I X ． L o n g i t u d i n a l V i b r a t i o n A ． n a l y s i s o f Mu l t i -- s p a n L i q u i d fi l l e d P i p e l i n e s w i t h Ri g i d C o n s t r a i n t s [ J ] ． J o u r n al o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 2 0 0 4， 2 7 3 1 2 51 4 7 ． 【 2 】S R E E J I T H B ， J A Y A R A J K ， G A N E S A N N ， e t a 1 ． F i n i t e E l e ． me n t An a l y s i s o f F l u i d s t r u c t u r e I n t e r a c t i o n i n P i p e l i n e S y s t e m s [ J ] ． N u c l e a r E n g i n e e ri n g a n d D e s i g n ， 2 0 0 4 ， 2 2 7 31 332 2． 【 3 】A X I S A F ， G I B E R T R J ． N o n ． 1 i n e 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A A F ， O D E N B U R G E R R ． D y n a m i c R e s p o n s e o f F l u i d L i n e s[ J ] ．J o u rna l o f B a s i c E n gin e e ri n g ．T r a n s A S M E， s e ri e s D， 1 9 6 4， 8 6 3 5 8 9 5 9 8 ．