本发明涉及一种管路结构振动载荷分析方法，属于结构动力学仿真分析领域。
背景技术：
：管路的基本功能是把指定的介质输送到使用部位。对于管路结构的动力学强度，一般采取疲劳寿命分析手段进行评估。这需要获取相关部位(多出现在接头、卡箍、焊接等处)精确的动应力和材料疲劳性能参数。但是，由于结构形式、加工工艺、材料特性、建模误差等因素的影响，对上述的薄弱部位进行准确的动应力计算分析、试验测量均是十分困难的。随着我国现代工业的快速发展，各类机械系统中的管路呈现出结构形式复杂多样，数量庞大的特点，这也导致管路结构的疲劳寿命分析计算的工作量过大，不利于初始设计阶段的快速使用。上世纪70年代，《nasa-tm-x-64669-vibrationmanual》中美国国家航空航天局就提到利用miles公式，对管路结构进行随机和正弦振动的等效静态惯性载荷分析，以得到管路低阶共振频率关键位置处的截面载荷，供设计参考。载荷(包括振动载荷)分析的目的是明确管路中载荷的种类、数值及传递路线，能够为管路结构强度设计提供依据。目前，国内在航天等工业领域，针对管路结构的初始设计也渐渐采用载荷分析设计的理念。但由于缺乏振动载荷定量分析手段，一般通过乘以适当的安全系数来考虑实际工作环境中振动方面的影响，随意性较大。技术实现要素：(一)要解决的技术问题针对现有技术中的需求，本发明提出了一种管路结构振动载荷分析方法，通过对该载荷分析方法中的模态均方根，提供了等效白噪声激励计算技术，使得该方法能够达到快速分析的效果。且具有工程简化公式、快速分析计算的特征，能够指导管路结构动力学载荷设计。(二)技术方案本发明提出一种管路结构振动载荷分析方法，包括以下步骤：第1步，获取管路结构动特性；第2步，在管路结构典型位置处设置测点，获取测点的加速度响应功率谱密度；第3步，采用等效白噪声激励法计算各测点处模态加速度均方根值；第4步，利用各测点位置模态振型值，对第3步中的各测点模态加速度均方根值进行加权平均，获取管路结构各阶模态加速度均方根值；第5步，进行随机振动下模态均方根等效载荷的计算。(三)有益效果本发明提出了一种管路结构振动载荷分析方法，其针对该载荷分析方法中的模态均方根，提供了等效白噪声激励计算技术，使得该方法能够达到快速分析的效果。本方法具有工程简化公式、快速分析计算的特征，能够为管路结构强度设计中定量动力学载荷提供依据。附图说明图1一种管路结构振动载荷分析方法流程图。图2空间管路结构有限元模型。图3基础随机激励加速度谱。图4典型位置处z向加速度相应谱。图5第1阶模态区域等效载荷应力与随机振动累积应力均方根值比较。其中，左图为第1阶模态等效载荷下应力，右图为频率【10,200】hz范围内应力均方根。图6第5阶模态区域等效载荷应力与随机振动累积应力均方根值比较。其中，左图为第5阶模态等效载荷下应力，右图为频率【650,1000】hz范围内应力均方根。图7第5阶模态区域等效载荷应力与随之和与随机振动累积应力均方根值比较。其中，左图为第5阶模态等效载荷下应力之和，右图为频率【10,1000】hz范围内应力均方根。具体实施方式本发明的一种管路结构振动载荷分析方法，包括以下步骤：第1步，获取管路结构动特性。通过仿真计算或试验测量获取管路结构的模态频率、模态振型，通过试验测量获得管路结构的模态阻尼，依据管路结构的具体几何尺寸、材料属性建立结构有限元模型，在管路两端的支撑端面固支，计算获得管路结构的模态频率fi和模态振型φi(x)。本实施例以图2所示的管路结构有限元模型为例，采取仿真分析的手段来进行说明。表1列出了该管路结构的前10阶模态频率。表1前10阶模态频率阶数f1f2f3f4f5f6f7f8f9f10频率(hz)121.95267.20351.47592.49707.691115.91229.31734.21876.42611.0第2步，在管路结构典型位置处设置测点，获取测点的加速度响应功率谱密度。通过仿真计算或试验测量的手段获取管路结构典型位置处的加速度响应功率谱密度，在管路结构两端的支撑端面的z向施加加速度功率谱，并假设所有阶模态阻尼为一定值，其放大系数也相应为一定值，以进行随机振动相应分析；选取管路结构上若干位置作为试验测点以模拟管路结构响应，得到所述试验测点的z向加速度相应功率谱密度曲线。其中，z向为管路端面内与两端面中心连线相垂直的方向，如图2所示。本实施例中仍采取仿真分析的手段来进行说明，所述加速度功率谱采用如图3中所示的加速度功率谱，所有阶模态阻尼为：ζi＝0.01，即放大系数为：参见图2，在管路结构上选取9处位置作为试验测点模拟管路结构响应，得到所述试验测点的z向加速度相应功率谱密度曲线，该曲线如图4所示。第3步，采用等效白噪声激励法计算各测点处模态加速度均方根值。管路结构满足小阻尼结构特征，即其随机振动响应各峰值频率显著分离，峰值响应近似为单自由度系统的共振响应，如图4所示。对于功率谱密度曲线孤立峰值的均方根值可通过相应幅值的白噪声激励相应的单自由度系统来计算。假设功率谱密度曲线孤立峰值频率为fk，放大系数为qk，假定功率谱密度幅值最大值wk与其等效白噪声幅值w0的比例为α，则：那么当时，该功率谱密度曲线孤立峰值区域的均方根值与利用幅值为w0的白噪声激励单自由度系统产生的均方根值相等，所述单自由度系统的频率为f0＝fk，所述单自由度系统的放大系数为q0＝qk。因此，可进一步利用miles公式来估算功率谱密度曲线孤立峰值的均方根值。假定管路结构上的第j个测点xj的加速度功率谱密度曲线为那么，如果第i阶模态频率为fi，放大系数qi，其对应功率谱密度曲线峰值区域的加速度均方根为：表2、表3分别给出了利用公式(2)计算得到的各测点处第1阶和第5阶模态加速度均方根值。表2第1阶模态频率(fi＝121.95hz)区域，测点加速度响应rms测点位置第1阶模态振型值频率范围选取(hz)公式(2)中qi取值公式2计算rms(g)node67690.137562[10,200]502.539node93040.335238[10,200]506.140node111780.544263[10,200]509.959node143840.782450[10,200]5014.312node172180.978226[10,200]5017.891node178090.946763[10,200]5017.316node227550.823882[10,200]5015.069node270760.542858[10,200]509.933node285540.233324[10,200]504.281表3第5阶模态频率区域(fi＝707.69hz)区域，测点加速度响应rms第4步，利用各测点位置模态振型值，对第3步中的各测点模态加速度均方根值进行加权平均，获取管路结构各阶模态加速度均方根值。管路结构第i阶模态的均方根位移为：式(3)中，φi(x)为管路结构第i阶最大值归一化后的模态振型，φi(xj)为xj测点的第i阶模态振型值。为xj测点的第i阶模态所对应的响应均方根值，n为试验测点个数。表4给出了利用公式(3)计算得到的前5阶模态加速度均方根值。表4前5阶模态均方根加速度模态阶数频率(hz)均方根加速度(g)1121.95192267.205.963351.471.894592.49132.75707.6973.6第5步，进行随机振动下模态均方根等效载荷的计算。根据模态分析理论，对于第i阶模态，如果在管路结构上施加惯性力m(xj)(2πfi)2φi(xj)，(j＝1,2,l,n)，其中n为结构有限元模型自由度个数，则相应的结构静态变形曲线为第i阶模态振型φi(x)，其中m(xj)为xj测点位置的集中质量。相应地，如果定义第i阶模态响应的均方根位移将第i阶模态振型φi(x)最大值归一化，那么，管路结构上施加惯性力则相应的静态变形曲线为第i阶模态响应的均方根位移因此，第i阶模态的均方根等效载荷可表示为：对于管路结构随机振动响应，某一点的加速度功率谱密度pa(f)，速度功率谱密度pv(f)、位移功率谱密度pu(f)之间的转换关系为：由式(4)、(5)及(6)可得到管路结构模态均方根等效载荷的计算：式(5)、(6)中的f为功率谱密度中的频率，一般为功率谱密度图中的横轴；式(7)中为第4步中获得的第i阶模态加速度均方根。需要说明的是，采用有限元计算方法时，需要使用对应节点的振型值、集中质量进行计算。由式(7)得到管路结构第i阶模态均方根等效振动载荷分布后，进而可得到结构的剪力、弯矩和应力。图5、图6分别对第1阶、第5阶模态均方根等效载荷作用下的应力与相应模态区域在随机振动累积应力均方根值进行了比较；图7对前5阶模态均方根等效载荷作用下的应力之和与激振频率在[10,1000]下的随机振动累积应力均方根值进行了比较。从管路结构应力响应分布角度结果一致性充分验证和说明了本文方法的正确有效性。当前第1页12