USST_Arts_112320151流体诱导换热器管束的振动特性及其反问题研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 1.32MB 95 页 15积分

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摘要

管壳式换热器的振动失效主要是由管束振动引起的，为了避免流体诱导换热

器管束振动破坏，我们需要采取一些措施，因此有必要首先对管束进行动力学分

析。目前诸多学者在预防换热器管束振动方面进行了大量的实验和研究工作，取

得了很多的进展，提出了不少的理论见解和实验判据。很多方法都可以有效的避

免管束的共振，如减小换热管的无支撑跨距，设置支撑板，减小壳程的流体流速，

以及使用杆状和条状支撑取代折流板。但是由于流动的复杂性以及振动因素的不

确定性，仍然不能从根本上解决流体诱导换热器的管束振动问题。TEMA 标准和

GB151 标准均指出采用标准防振设计的换热器仍然可能发生振动现象。需要指出

的是 TEMA 标准和 GB151 标准虽然经过长期的研究和修改，也只是利用振动校核

的方式来预判已经设计好的换热器是否会发生振动现象，仍没有在换热器设计时

就提出振动设计的新方法。

本文以某大型管壳式换热器的换热管为研究对象，对其进行了动力学分析，

即动力特性分析和振动响应分析。利用 Euler 梁振动理论，建立了换热管振动的微

分方程。通过对换热管进行动力特性分析，可以得到换热管在各种约束条件下的

固有频率和振型。利用已知的固有频率和振型，采用傅立叶级数形式得到了换热

管在激励载荷作用下的响应特性以及在时域和频域内提出了一套用于求解各种约

束条件下激励载荷的反问题分析方法。本文主要工作如下：

1. 采用 Euler 梁振动理论，推导了换热管振动的微分方程。利用分离变量法，

给出了多种约束条件下换热管的固有频率和振型的计算公式。

2. 利用 ANSYS 软件，对实体结构简化模型进行了模态分析和谐响应分析，

得到了换热管振动的固有频率。

3. 对解析法、TEMA 标准、GB151 标准以及 ANSYS 模态分析和谐响应分析

计算得到的固有频率进行分析和比较。

4. 利用解析法得到的振动频率和振型，结合换热管振型的正交性，采用傅立

叶级数的形式，给出了换热管在多种类型激励载荷作用下的位移响应。

5. 在时域内，应用 Newmark 反分析理论完成了作用于换热管的激励载荷的

识别，并提出利用最小二乘法减小载荷识别的误差。

6. 在频域内，提出了一套较为完善的用于求解多种约束形式的作用于换热管

的集中载荷、分布载荷以及冲击载荷单个作用和组合作用的识别理论和求解方法。

针对振动反问题数值求解的病态问题，提出应用正则化技术如奇异值分解法克服

响应测量误差和外界干扰对载荷识别的影响，提高了激励载荷识别的精度和可靠

性。

虽然这些研究目前还处于比较基础的阶段，但今后可以通过实验进行相关的

验证和分析比较，使之可以用于换热器管束振动的故障诊断以及换热器防振设计。

关键词：管束振动激励识别傅立叶级数故障诊断防振设计

ABSTRACT

Excitation by the flow turbulence and possible fluid-elastic phenomena may cause

high-risk vibration on tube bundles, which is a major source concern, leading to

vibration failure of Shell-and-tube heat exchanger. Hence, dynamic analysis of tube

bundles’ vibration is necessary as a first step to avoid flow-induced vibration failure.

Currently many researchers have done lots of theoretical research and experimental tests

on tube bundles vibration and many theoretical insights and experimental criteria have

been proposed in the prevention of vibration. Bases on vibration mechanisms, a lot of

means can be used to prevent tube bundles vibration, such as reducing unsupported span,

using support plate, decreasing flow velocity at shell side, replacing the baffles with rod

supports or strip supports and so on. However, as the result of the complexity of flow

and the uncertainty of vibration, flow-induced vibration on tube bundles could not be

solved fundamentally yet. Both TEMA and GB 151 standard point out that guarantees

may not cover vibration damage. Although these standards have been studied and

modified for long terms, vibration is judged only by means of checking and a new direct

method has still not occurred during the design.

This dissertation takes a tube of a certain shell-and-tube heat exchanger as the

research object, studying its dynamic property including system performance and

vibration responses. A differential equation of tube vibration has been built according to

Euler beam theory, dynamic performance is analyzed and inherent frequency and mode

under various constrains have been calculated. According to these inherent frequency

and mode, calculating the response based on Fourier series under various constrains and

providing a method in the time and frequency domain to achieve the excitation

identification. The main study is as follows:

1. Based on Euler beam theory, derive the differential vibration equation of tube.

What is more, the computational formula of inherent frequency and mode under various

constrains has been achieved by using variables separation.

2. Calculate the inherent frequency of simplified model by using Modal and

harmonic frequency response analysis based on ANSYS.

3. Analyze and compare their natural frequency from formula, TEMA, GB 151,

and ANSYS.

4. According to these inherent frequency and mode from formula, with the

orthogonality of mode, the displacement response under various constrains based on

Fourier series is calculated.

5. In the time domain, apply inverse Newmark theory on excitation identification

and decrease error by way of least-squares.

6. In the frequency domain, propose a set of method and theory to achieve

excitation identification including concentrated load, distributed load and impact load in

one action or a combination of actions. In fact, as for most inverse problems,

identification results prove quite sensitive to noise and modeling error, which is called

ill-conditioning problem. Regularization methods such as SVD must be applied, which

can increase reliability and precision.

Currently, although the research is very primary, validation of predictive technique

through lab experiments can achieve in the future. With our collective efforts，it may be

used in the fault diagnosis and vibration-control design of heat exchangers.

Key Word: Tube bundles’ vibration, Excitations identification, Fourier

series, Fault diagnosis, Vibration-control design

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................1

§1.1 引言 ....................................................... 1

§1.2 流体诱导管束振动的研究现状 ................................. 4

§1.2.1 流弹不稳定性的研究 ................................... 4

§1.2.2 漩涡脱落的研究 ....................................... 5

§1.2.3 振动反问题的研究 ..................................... 6

§1.3 课题研究的意义和主要工作 ................................... 8

第二章结构振动的动力学理论基础 ....................................10

§2.1 结构动力学概述 ............................................ 10

§2.1.1 结构动力学的基本内容 ................................ 10

§2.1.2 结构的动力分析 ...................................... 10

§2.2 结构振动的有限元基础 ...................................... 10

§2.2.1 结构振动的有限元法介绍 .............................. 10

§2.2.2 结构振动的有限元分析步骤 ............................ 11

§2.2.3 结构振动的有限元求解 ................................ 14

§2.3 动力特性分析方法 .......................................... 15

§2.3.1 矢量迭代法 .......................................... 15

§2.3.2 子空间迭代法 ........................................ 16

§2.4 响应分析方法 .............................................. 17

§2.4.1 时域动力响应分析方法 ................................ 17

§2.4.1.1 中心差分法 ..................................... 17

§2.4.1.2 Newmark-β法 ................................... 18

§2.4.1.3 Wilson-θ 法 .................................... 21

§2.4.2 频域动力响应分析方法 ................................ 23

第三章管壳式换热器的计算模型 ......................................26

§3.1 换热器的结构 .............................................. 26

§3.2 换热器的设计条件 .......................................... 28

§3.3 换热器的工艺条件 .......................................... 28

§3.4 换热器的计算模型和物理参数 ................................ 29

第四章换热管动力特性的计算 ........................................32

§4.1 换热管的振动 .............................................. 32

§4.1.1 换热管振动微分方程的建立 ............................. 32

§4.1.2 分离变量法 ........................................... 33

§4.1.3 典型的边界条件 ....................................... 34

§4.1.4 换热管横向振动的模态 ................................. 35

§4.1.4.1 两端固支 ........................................ 35

§4.1.4.2 左端固支右端简支 ................................ 37

§4.1.4.3 两端简支 ........................................ 38

§4.1.4.4 各种约束条件下换热管的频率和振型 ................ 38

§4.2 按照各种方法计算换热管的固有频率 .......................... 39

§4.2.1 采用解析法计算换热管的固有频率 ....................... 39

§4.2.2 采用 TEMA-2007 计算换热管的固有频率 ................... 39

§4.2.3 采用 GB 151-1999 计算换热管的固有频率 ................. 41

§4.2.4 利用 ANSYS 软件计算换热管的固有频率 ................... 42

§4.2.4.1 简化模型的模态分析 ............................. 42

§4.2.4.2 含管板模型的模态分析 ........................... 44

§4.2.5 利用 ANSYS 谐响应分析计算换热管的固有频率 ............. 46

§4.2.5.1 采用 BEAM188 单元的谐响应分析 ................... 47

§4.2.5.2 采用 SOLID186 单元的谐响应分析 .................. 49

§4.2.6 按照各种方法计算固有频率的比较和分析 ................. 51

第五章换热管响应特性的计算和反问题的求解技术 ......................53

§5.1 换热管横向振动的响应特性 .................................. 53

§5.1.1 初激励换热管的自由响应 ............................... 55

§5.1.2 集中载荷作用下的换热管的振动响应 ..................... 57

§5.1.3 均匀来流作用下的换热管的振动响应 ..................... 58

§5.2 振动响应反问题 ............................................ 59

§5.2.1 时域内基于 Newmark-β 法换热管载荷的识别 .............. 61

§5.2.1.1 Newmark-β 反分析法原理 ......................... 62

§5.2.1.2 算例分析 ....................................... 63

§5.2.2 频域内换热管载荷的识别 .............................. 66

§5.2.2.1 时域内非线性系统的振动 ......................... 66

§5.2.2.2 间隙支撑结构对换热管的激励 ..................... 68

§5.2.2.3 无间隙支撑换热管的单点激励 ..................... 69

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摘要：

摘要管壳式换热器的振动失效主要是由管束振动引起的，为了避免流体诱导换热器管束振动破坏，我们需要采取一些措施，因此有必要首先对管束进行动力学分析。目前诸多学者在预防换热器管束振动方面进行了大量的实验和研究工作，取得了很多的进展，提出了不少的理论见解和实验判据。很多方法都可以有效的避免管束的共振，如减小换热管的无支撑跨距，设置支撑板，减小壳程的流体流速，以及使用杆状和条状支撑取代折流板。但是由于流动的复杂性以及振动因素的不确定性，仍然不能从根本上解决流体诱导换热器的管束振动问题。TEMA标准和GB151标准均指出采用标准防振设计的换热器仍然可能发生振动现象。需要指出的是TEMA标准和GB151标准...

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