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基于虚拟激励法的超多点多维激励下管路简化疲劳寿命分析

龙腾 杨守平 龚纯

龙腾, 杨守平, 龚纯. 基于虚拟激励法的超多点多维激励下管路简化疲劳寿命分析[J]. 核动力工程, 2022, 43(4): 70-77. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0070
引用本文: 龙腾, 杨守平, 龚纯. 基于虚拟激励法的超多点多维激励下管路简化疲劳寿命分析[J]. 核动力工程, 2022, 43(4): 70-77. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0070
Long Teng, Yang Shouping, Gong Chun. Simplified Fatigue Life Analysis of Pipeline under Super Multi-Support and Multi-Dimension Excitations Based on Pseudo Excitation Method[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(4): 70-77. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0070
Citation: Long Teng, Yang Shouping, Gong Chun. Simplified Fatigue Life Analysis of Pipeline under Super Multi-Support and Multi-Dimension Excitations Based on Pseudo Excitation Method[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(4): 70-77. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0070

基于虚拟激励法的超多点多维激励下管路简化疲劳寿命分析

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.04.0070
详细信息
    作者简介:

    龙 腾(1991—),男,硕士,现主要从事力学分析方面的研究,E-mail: longyiteng123@126.com

  • 中图分类号: TL334

Simplified Fatigue Life Analysis of Pipeline under Super Multi-Support and Multi-Dimension Excitations Based on Pseudo Excitation Method

  • 摘要: 针对超多点随机振动边界条件下传统随机振动模块计算规模不适用,且传统疲劳寿命分析方法受建模工作量大制约而无法快速完成疲劳寿命分析的问题,本文基于虚拟激励法提出了一种针对管路系统的超多点多维激励的简化疲劳寿命分析方法。通过对比虚拟激励法和传统随机振动模块计算的结构动力学响应,验证虚拟激励法的适用性,并使用管路简化疲劳寿命分析方法和传统疲劳寿命分析方法分析直管结构和三通连接位置的疲劳寿命。结果表明,虚拟激励法计算的随机振动响应精度与传统随机振动模块一致,说明本文方法可突破传统随机振动模块对振动激励点数和频率点的限制;本文方法无需建立详细有限元模型,直管结构的应力及寿命分析结果与精细模型基本一致,三通连接位置的应力及寿命分析结果相比精细模型更加保守。本文研究可为复杂振动管路系统的快速疲劳寿命分析提供理论指导。

     

  • 图  1  核电厂管路及激励点

    Figure  1.  Pipelines and Excitation Points in NPP

    图  2  管路梁模型

    Figure  2.  Beam Model of Pipeline

    图  3  弯矩的功率谱密度对比

    Figure  3.  Power Spectrum Density Comparison of Bending Moment      

    图  4  三通连接位置直管段实体单元模型

    Figure  4.  Entity Unit Model of Straight Pipe at Tee Connection Position

    图  5  直管段应力幅值概率密度对比

    Figure  5.  Comparison of Probability Density of Stress Amplitude in Straight Pipe

    图  6  三通焊缝应力分析位置

    Figure  6.  Stress Analysis Position of Tee Weld

    图  7  三通连接位置焊缝应力幅值概率密度

    Figure  7.  Probability Density of Weld Stress Amplitude at Tee Connection Position

    表  1  2种方法的振动响应弯矩对比

    Table  1.   Comparison of Vibration Response Bending Moments between Two Methods

    方向弯矩响应均方根/(N·mm)相对误差/%
    虚拟激励法ANSYS
    X方向7.55×1077.64×1071.20
    Y方向1.66×1091.68×1090.97
    Z方向6.40×1086.47×1081.06
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    表  2  加速度随机振动激励特征

    Table  2.   Excitation Characteristics of Acceleration Random Vibration

    激励序号功率谱密度幅值/
    [(m·s−2)2·Hz−1]
    加速度响应均
    方根/(m·s−2)
    111.20100
    216.00120
    351.84216
    464.00240
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    表  3  直管段应力幅值期望对比 MPa

    Table  3.   Comparison of Stress Amplitude Expectation of Straight Pipe

    激励序号本文方法ANSYS S1方法ANSYS Von Mises方法
    128.810.5, 10.8, 15.9,
    14.8, 8.2, 14.9
    14.3, 14.3, 20.8,
    20.2, 13.4, 23.0
    240.714.8, 15.3, 22.5,
    21.0, 11.6, 21.0
    14.8, 15.3, 22.5,
    21.0, 11.6, 21.0
    373.826.7, 27.6, 40.5,
    37.7, 20.9, 37.8
    36.4, 36.5, 53.0,
    51.5, 34.0, 58.5
    485.629.7, 30.6, 45.0,
    41.9, 23.2, 42.0
    40.4, 40.5, 58.9,
    57.2, 37.8, 65.0
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    表  4  直管段应力幅值均方根对比 MPa

    Table  4.   Comparison of Stress Amplitude RMS of Straight Pipe       

    激励序号本文方法ANSYS S1方法ANSYS Von Mises方法
    117.510.6, 10.7, 14.2,
    13.2, 9.0, 13.8
    15.2, 14.8, 19.1,
    18.4, 13.4, 20.9
    224.815.0, 15.1, 20.0,
    18.6, 12.7, 19.5
    21.5, 20.9, 27.0,
    26.0, 19.0, 29.6
    345.426.9, 27.2, 36.0,
    33.5, 22.9, 35.1
    38.7, 37.6, 48.7,
    46.7, 34.2, 53.2
    454.529.9, 30.3, 40.0,
    37.2, 25.5, 38.9
    42.9, 41.7, 54.1,
    51.9, 38.0, 59.1
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    表  5  直管段疲劳寿命对比 h

    Table  5.   Comparison of Fatigue Life of Straight Pipe

    激励序号本文方法ANSYS S1方法ANSYS Von Mises方法
    1149.63.7×105, 3.0×105, 2.0×103,
    5.3×103, 1.9×107, 4.1×103
    1090.9, 1550.1, 82.1,
    113.4, 5663.8, 40.2
    25.31.2×103, 1.1×103, 51.8,
    95.4, 1.25×104, 80.9
    37.7, 46.5, 6.6,
    8.2, 103.4, 4.0
    30.37.6, 7.1, 1.4,
    1.9, 23.8, 1.8
    1.3, 1.4, 0.4,
    0.5, 2.1, 0.3
    40.14.2, 3.9, 0.9,
    1.2, 11.7, 1.1
    0.8, 0.9, 0.3,
    0.3, 1.3, 0.2
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    表  6  三通连接位置计算结果对比

    Table  6.   Comparison of Calculation Results at Tee Connection Position

    应力幅值期望/MPa应力幅值均方根/MPa疲劳寿命/h
    本文方法ANSYS S1方法ANSYS Von
    Mises方法
    本文方法ANSYS S1方法ANSYS Von
    Mises方法
    本文方法ANSYS S1方法ANSYS Von
    Mises方法
    86.630.636.056.929.736.80.15.31.7
    20.625.321.127.240.38.1
    15.921.218.321.8156.332.4
    27.430.125.728.69.14.9
    31.232.229.231.14.23.1
    20.519.721.521.933.329.0
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-03
  • 修回日期:  2021-09-02
  • 刊出日期:  2022-08-04

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