CN113158379A - 船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法 - Google Patents

船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法 Download PDF

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卞修涛
罗亚萍
缪文杰
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Abstract

本申请提供一种船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法。所述方法包括：S1：选取双壁管中涉及管道频率计算的几何参数，以及选取涉及管道频率计算的流动参数；S2：设置管道的约束条件；S3：创建双壁管的三维模型，并输入步骤S1中的几何参数和流动参数，计算出管道固有频率的仿真值；S4：判断三维模型计算出的管道固有频率的仿真值是否为船体振动频率的预定倍数；若判断结果为存在共振隐患，调整双壁管的管径或壁厚，重复步骤S3和S4；若判断结果为不存在共振隐患，进入步骤S5；S5：采用三维模型中的几何参数制造双壁管，双壁管生产安装完成后，获取双壁管固有频率的实验测量值；S6：利用实验测量值对仿真值进行修正。

Description

船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法
技术领域
本申请涉及船用燃气双壁管应力计算技术领域，具体而言，涉及一种船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法。
背景技术
当前90％世界贸易由船舶提供，而国际市场对船舶主机清洁排放的要求日益严格，液化天然气(LNG)作为一种清洁能源极具广阔应用前景。在以LNG作为燃料的主机燃气供气系统中，与常规输运管道不同，需采用独特的双壁管结构以确保供气系统的安全性，双壁管结构包括内管、外管、内外管弹性支架和外管支架等。
针对船舶供气系统双壁管结构的安全性，多个船厂和设计单位开展了相关研究，包括双壁管各类结构设计，双壁管焊接方法，双壁管管道应力和弹性支架的位移分析等；但上述研究主要集中于双壁管生产设计和静态(稳态)分析，对双壁管动态参数如频率分析等鲜有涉及；而双壁管振动特性对其可靠性和安全性有着十分重要的影响，共振严重时可导致管道断裂、泄漏乃至爆炸等。
考虑到双壁管动态特性的重要性，本申请人开发了采用燃气双壁管振动测量系统，监测主机启动、运行和停机过程中双壁管振动特性，以期消除运行过程中的隐患。然而，燃气双壁管振动测量系统只在双壁管生产和安装后发挥监测作用，一旦双壁管存在严重共振隐患，往往需要原管报废并更换新管，造成人工和物料的巨大浪费，因此急需一种分析评估方法能够在双壁管设计阶段给出指导。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，其能够根据双壁管的振动特性对双壁管的管道布局和参数进行调整，为改善燃气双壁管的运行状态以及船舶安全运行提供指导。
根据本申请的实施例，提供了一种船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，包括：
S1：选取所述双壁管中涉及管道频率计算的几何参数，以及选取涉及管道频率计算的流动参数；
S2：设置管道的约束条件；
S3：创建所述双壁管的三维模型，并输入步骤S1中的所述几何参数和所述流动参数，计算出管道固有频率的仿真值；
S4：判断所述三维模型计算出的所述管道固有频率的仿真值是否为船体振动频率的预定倍数；若判断结果为存在共振隐患，调整所述双壁管的管径或壁厚，重复步骤S3和S4；若判断结果为不存在共振隐患，进入步骤S5；
S5：采用三维模型中的几何参数制造双壁管，双壁管生产安装完成后，获取所述双壁管固有频率的实验测量值；
S6：利用实验测量值对仿真值进行修正,并给定误差分布和置信区间。
在一种实施方式中，步骤S5中，所述双壁管固有频率的实验测量值的获取方法包括：
对所述双壁管进行单次敲击；
采用振动测量系统测量管道的振动频率；
采用快速傅里叶变换方法，将时域信息转变为频域信息；
获取双壁管实验测量的固有频率。
在一种实施方式中，在所述步骤S2中，所述管道的约束条件包括固定约束和滑动约束。
在一种实施方式中，在所述步骤S1中，所述双壁管中涉及管道频率计算的几何参数包括管道长度、内管管径、内管壁厚、外管管径、外管壁厚、管道表面粗糙度、管道材料及许用应力；所述涉及管道频率计算的流动参数包括流体的密度、温度和压力。
在一种实施方式中，步骤S3中，利用CAESARⅡ应力分析软件创建所述双壁管的三维模型。
在一种实施方式中，在步骤S4中，所述管道固有频率的仿真值为船体振动频率的0.8-1.2倍。
在一种实施方式中，所述给定误差分布和置信区间包括：
重复步骤S4-S6，获取多个所述双壁管的仿真值和实验测量值；
根据多个所述双壁管的仿真值和实验测量值的偏差获得所述三维模型管道固有频率仿真结果的误差分布和置信区间
本申请中的船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法具有的有益效果：
1、在双壁管设计阶段采用三维模型对双壁管的管道固有频率进行仿真，然后利用符合仿真参数的技术参数制作双壁管，再利用制作好的双壁管进行实验值的测量，以及利用实验测量值对仿真值进行修正。采用数值模拟和试验验证两种方式获取管道固有频率，并利用试验测量值对仿真值进行修正，提高仿真值的可靠性。
2、通过多个双壁管的仿真值和实验测量值的对比，获得三维模型管道固有频率仿真结果的误差分布和置信区间，进而三维模型仿真的可信性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为根据本申请实施例示出的一种船用燃气双壁管的结构示意图；
图2为根据本申请实施例示出的一种船用燃气双壁管固有频率的分析及评估方法流程图；
图3为根据本申请实施例示出的一种双壁管的三维模型图；
图4为根据本申请实施例示出的一种获取双壁管固有频率的实验测量值的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请所述的双壁管为船用燃气双壁管。图1为根据本申请实施例示出的一种船用燃气双壁管的结构示意图。参见图1，船用燃气双壁管包括内管1、外管2和用于连接内管和外管的连接法兰3。内管和外管之间设有弹性支架4，弹性支架过盈安装在内管1和外管2之间。
基于上述双壁管的结构，本申请实施例提供了一种船用燃气双壁管固有频率的分析及评估方法。参见图2，该双壁管固有频率分析及评估方法包括以下步骤：
S1：选取双壁管中涉及管道频率计算的几何参数，以及选取涉及管道频率计算的流动参数。
其中，双壁管中涉及管道频率计算的几何参数包括管道长度、内管管径、内管壁厚、外管管径、外管壁厚、管道表面粗糙度、管道材料及许用应力。涉及管道频率计算的流动参数包括流体的密度、温度和压力。
S2：设置管道的约束条件。对双壁管施加约束，管道的约束条件包括固定约束和滑动约束等。
S3：创建双壁管的三维模型，并输入步骤S1中的几何参数和流动参数，计算出管道固有频率的仿真值。
在一种实现方式中，利用CAESARⅡ管道应力分析软件或者ANSYS有限元计算软件创建双壁管的三维模型。图3为根据本申请实施例示出的一种双壁管的三维模型图。参见图3，管道的约束条件包括固定约束5和滑动约束6。需要说明的是，三维模型图中设置固定约束5和滑动约束6只是示例性的，在设置的三维模型中还可增设其他约束条件。约束条件可根据实际生产情况进行调整。
S4：判断三维模型计算出的管道固有频率的仿真值是否为船体振动频率的预定倍数；若判断结果为存在共振隐患，调整双壁管的管径或壁厚，重复步骤S3和S4；若判断结果为不存在共振隐患，进入步骤S5；
在一种数值设定的方案中，本申请实施例选择管道固有频率的仿真值为船体振动频率的0.8-1.2倍。
即在步骤4中，判断三维模型计算出的管道固有频率的仿真值是否为船体振动频率的0.8-1.2倍。若双壁管的管道固有频率在船体振动频率的0.8-1.2倍范围内，修改双壁管管径或管道壁厚，其修改原则为双壁管的管径或管道壁厚能够使双壁管的管道承压能力在阈值范围内，修改双壁管管径或管道壁厚后重复步骤S3和S4，或者不同管径或管道壁厚条件下的管道固有频率。
若双壁管的管道固有频率在船体振动频率的0.8-1.2倍范围之外，则进入步骤S5。
S5：采用三维模型中的几何参数制造双壁管，双壁管生产安装完成后，获取双壁管固有频率的实验测量值。
在一种实现方式中，双壁管固有频率的实验测量值的获取方式采用“锤击法”。参见图4，具体包括如下步骤：
S401：对双壁管进行单次敲击。在一种实现方式中，采用锤头帽对双壁管进行敲击。其中，基于步骤4中的计算结果选取锤头帽材料。
S402：采用振动测量系统测量管道的振动频率。
当对双壁管进行单次敲击后，采用振动测量系统测量双壁管管道的振动频率。在一种实施方式中，可采用本申请人已申请的申请号为201721094411.7的高压燃气双壁管振动测量系统测量本申请中的双壁管的管道振动频率。需要说明的是，采用上述振动测量系统只是示例性的，凡是能够测量管道振动频率的振动测量系统均落入本申请的保护范围。
S403：采用快速傅里叶变换方法，将时域信息转变为频域信息。
S404：获取双壁管实验测量的固有频率。
S6：利用实验测量值对仿真值进行修正，并给定误差分布和置信区间。
在一种实施方案中，船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法还包括：
重复步骤S4-S6，获取多个双壁管的仿真值和实验测量值；
根据多个双壁管的仿真值和实验测量值的偏差获得三维模型管道固有频率仿真结果的误差分布和置信区间。
在一种实施方案中，以计算数据与实验结果差别的95％置信区间为例，可得表1。
表1固有频率计算误差，95％置信区间
Figure BDA0003063985170000051
Figure BDA0003063985170000061
需要说明的是，表1中误差结果和置信区间的取值仅为示例性的，并非用于限定其数值范围。
获得三维模型管道固有频率仿真结果的误差分布和置信区间后可使三维模型的仿真值更具可信性。
由以上的技术方案可知，本申请在双壁管设计阶段采用三维模型首先对双壁管的管道固有频率进行仿真，然后利用符合仿真参数的技术参数制作双壁管，再利用制作好的双壁管进行实验值的测量，以及利用实验测量值对仿真值进行修正。本申请采用数值模拟和试验验证两种方式获取管道固有频率，并利用试验测量值对仿真值进行修正，提高仿真值的可靠性。
进一步地，通过多个双壁管的仿真值和实验测量值的对比，获得三维模型管道固有频率仿真结果的误差分布和置信区间，进而提高仿真值的可信性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，其特征在于，包括：
S1：选取所述双壁管中涉及管道频率计算的几何参数，以及选取涉及管道频率计算的流动参数；
S2：设置管道的约束条件；
S3：创建所述双壁管的三维模型，并输入步骤S1中的所述几何参数和所述流动参数，计算出管道固有频率的仿真值；
S4：判断计算出的所述管道固有频率的仿真值是否为船体振动频率的预定倍数；若判断结果为存在共振隐患，调整所述双壁管的管径或壁厚，重复步骤S3和S4；若判断结果为不存在共振隐患，进入步骤S5；
S5：采用三维模型中的几何参数制造双壁管，双壁管生产安装完成后，获取所述双壁管固有频率的实验测量值；
S6：利用实验测量值对仿真值进行修正，并给定误差分布和置信区间。
2.根据权利要求1所述的船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，其特征在于，步骤S5中，所述双壁管固有频率的实验测量值的获取方法包括：
对所述双壁管进行单次敲击；
采用振动测量系统测量管道的振动频率；
采用快速傅里叶变换方法，将时域信息转变为频域信息；
获取双壁管实验测量的固有频率。
3.根据权利要求1所述的船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述管道的约束条件包括固定约束和滑动约束。
4.根据权利要求1所述的船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述双壁管中涉及管道频率计算的几何参数包括管道长度、内管管径、内管壁厚、外管管径、外管壁厚、管道表面粗糙度、管道材料及许用应力；所述涉及管道频率计算的流动参数包括流体的密度、温度和压力。
5.根据权利要求1所述的船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，其特征在于，步骤S3中，利用CAESAR Ⅱ应力分析软件创建所述双壁管的三维模型。
6.根据权利要求1所述的船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，其特征在于，在步骤S4中，所述管道固有频率的仿真值为船体振动频率的0.8-1.2倍。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的船用燃气双壁管固有频率分析及评估方法，其特征在于，所述给定误差分布和置信区间包括：
重复步骤S4-S6，获取多个所述双壁管的仿真值和实验测量值；
根据多个所述双壁管的仿真值和实验测量值的偏差获得所述三维模型管道固有频率仿真结果的误差分布和置信区间。
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