一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法与流程

本发明属于管道结构力学分析，具体涉及一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法。

背景技术：

1、管道作为输送石油和天然气的主要运输方式，是国家能源工业的组成部分，其管理水平也是衡量国家能源技术进步的一个重要标志；然而随着我国石油、天然气管道的激增，管道的安全运行问题和环境问题也随之而来；管道结构振动造成的声辐射尤其是城市生活去的水路管网和燃气管网已经成为当代工业和生活中重要的噪声源，它不仅对周围环境造成污染，损害人的身体健康，而且由于振动疲劳损害会降低管道使用寿命，降低系统运行可靠性，恶化工作环境，影响仪器仪表精度，严重时使管道爆裂或系统失效，从而造成大的事故；于是预报和控制管道振动及辐射噪声具有显著的实际用途。

2、输送管道由于要考虑管道结构与内部流体之间的流固耦合以及向外部声场的辐射作用，所以结构振动和辐射噪声之间的关系较为复杂，因此在结构振动条件确定的前提下，准确计算结构的辐射噪声是降低结构辐射噪声和进行结构优化设计的基础和必要措施，所以对结构声辐射作深入的研究具有极大地理论价值。

3、发明人发现，现有仿真技术中，没有对输送管道的振动辐射声场进行仿真的技术，在对振动辐射声场进行仿真时，也没有考虑流固耦合作用对仿真参数及仿真结果的影响，仿真结果不准确；并且通过有限元进行三维模型的结构力学的仿真过程中，因对三维模型进行网格划分等过程，带来计算量和存储量的增加，极大的影响了仿真时间和对仿真运行硬件的内存运行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，通过建立的管道结构模型和流域模型能够实现管道结构的振动分析和声辐射分析，方法简单，操作方便。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，包括以下步骤：

4、步骤1，建立管道结构模型；

5、步骤2，基于所述管道结构模型，建立管道流固耦合有限元模型；

6、步骤3，基于流固耦合作用，通过有限元仿真模块，对所述管道流固耦合有限元模型进行谐响应分析；

7、步骤4，将谐响应分析结果作为边界条件进行边界元计算，得到管道结构的振动声辐射特性。

8、本发明的进一步改进在于：

9、优选的，步骤1中，所述管道结构模型包括无接口的直管、有接口的直管、无接口的弯管和有接口的弯管。

10、优选的，步骤2中，建立管道流固耦合有限元模型包括：

11、设置管道结构的属性参数，所述属性参数包括泊松比、密度和弹性模量；

12、建立管道内部流体有限元模型，在流体与管道接触部位设置流固耦合边界条件；

13、确定流体入口和出口，并设置流体在入口处的速度参数；

14、在管道结构的两端设置固定约束。

15、优选的，步骤2中，建立管道内部流体有限元模型包括：在管道结构有限元模的基础上，在管道内部建立流体有限元模型并划分流体单元，得到流固耦合模型；在管道内壁与流体接触位置设置流固耦合边界，在流体出口端设置自由出流；根据雷诺数为流体单元赋予涡流属性，管道结构块采用隐式动力学算法，流体模块采用瞬态算法，迭代模式为复合式迭代。

16、优选的，步骤3中，进行谐响应分析前，对所述管道流固耦合有限元模型进行网格划分，采用非结构化四面体网格进行网格划分，并对管道接口处和弯曲处的流动区域的网格进行网格加密处理。

17、优选的，步骤3中，在进行谐响应分析前，对所述管道流固耦合有限元模型进行模态分析，得到所述管道流固耦合有限元模型的自振特性；所述自振特性用于验证后续的谐响应分析结果。

18、优选的，所述自振特性包括各阶模态位移和模态频率。

19、优选的，步骤4中，采用声学软件求解管道结构的振动辐射声场，得到管道结构的振动声辐射特性。

20、优选的，步骤4中，将谐响应分析结果作为边界条件导入至声学软件中，进行声源的生成，采用周向定义管道载荷，考虑到管道的声散射效果，以管道外壳作为边界计算声场，声学网格在icem中生成。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、本发明公开了一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，包括以下主要内容：建立管道结构模型；基于所述管道结构模型，建立管道流固耦合有限元模型；基于流固耦合作用，对所述管道流固耦合有限元模型进行有限元模型，通过有限元仿真模块，进行谐响应分析；将谐响应分析结果作为边界条件进行边界元计算，得到管道结构的振动声辐射特性；本公开通过有限元分析和边界元计算方法的结合方式，实现了对输送管道振动辐射声场仿真的目的，在对振动辐射声场进行仿真时，综合考虑流固耦合作用对仿真参数及仿真结果的影响，提供了仿真结果准确性。本发明的仿真模拟方法具有以下特点：

23、1.本发明通过有限元分析和边界元计算方法的结合方式，实现了对输送管道振动辐射声场仿真的目的，在对振动辐射声场进行仿真时，综合考虑流固耦合作用对仿真参数及仿真结果的影响，提供了仿真结果准确性；

24、2.本发明首先通过有限元分析软件实现管道结构的谐响应分析，完成对管道模态的提取和分析的基础上，采用声学软件求解管道振动辐射声场，用边界积分方程描述流体域的控制方程以及边界条件，网格划分只需在边界面上进行，不存在有限元方法中的单元截断误差，能够达到降维的目的，在提高计算精度的基础上，实现减少数据计算量和存储量的效果；

25、3.本发明在建立管道结构模型时，充分考虑管道接口和管道弯曲情况，使得仿真模型更接近实际情况，同时，对管道接口和管道弯曲处的网格划分进行加密处理，进一步提高了仿真结果的准确性。

技术特征：

1.一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，步骤1中，所述管道结构模型包括无接口的直管、有接口的直管、无接口的弯管和有接口的弯管。

3.根据权利要求1所述的一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，步骤2中，建立管道流固耦合有限元模型包括：

4.根据权利要求3所述的一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，步骤2中，建立管道内部流体有限元模型包括：在管道结构有限元模的基础上，在管道内部建立流体有限元模型并划分流体单元，得到流固耦合模型；在管道内壁与流体接触位置设置流固耦合边界，在流体出口端设置自由出流；根据雷诺数为流体单元赋予涡流属性，管道结构块采用隐式动力学算法，流体模块采用瞬态算法，迭代模式为复合式迭代。

5.根据权利要求1所述的一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，步骤3中，进行谐响应分析前，对所述管道流固耦合有限元模型进行网格划分，采用非结构化四面体网格进行网格划分，并对管道接口处和弯曲处的流动区域的网格进行网格加密处理。

6.根据权利要求1所述的一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，步骤3中，在进行谐响应分析前，对所述管道流固耦合有限元模型进行模态分析，得到所述管道流固耦合有限元模型的自振特性；所述自振特性用于验证后续的谐响应分析结果。

7.根据权利要求6所述的一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，所述自振特性包括各阶模态位移和模态频率。

8.根据权利要求1所述的一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，步骤4中，采用声学软件求解管道结构的振动辐射声场，得到管道结构的振动声辐射特性。

9.根据权利要求1所述的一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，其特征在于，步骤4中，将谐响应分析结果作为边界条件导入至声学软件中，进行声源的生成，采用周向定义管道载荷，考虑到管道的声散射效果，以管道外壳作为边界计算声场，声学网格在icem中生成。

技术总结
本发明公开了一种管道结构振动声辐射仿真模拟方法，包括以下主要内容：建立管道结构模型；基于所述管道结构模型，建立管道流固耦合有限元模型；基于流固耦合作用，对所述管道流固耦合有限元模型进行有限元模型，通过有限元仿真模块，进行谐响应分析；将谐响应分析结果作为边界条件进行边界元计算，得到管道结构的振动声辐射特性；本公开通过有限元分析和边界元计算方法的结合方式，实现了对输送管道振动辐射声场仿真的目的，在对振动辐射声场进行仿真时，综合考虑流固耦合作用对仿真参数及仿真结果的影响，提供了仿真结果准确性。

技术研发人员：罗金恒,龙岩,武钢,李丽锋,朱丽霞,刘翠伟
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13