JP5736769B2 - ポンプバレルの振動予測方法 - Google Patents
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Description
(1)円筒状のタンク側壁とタンク屋根とからなるタンクの外周部における周方向の一部に、上記タンク屋根よりタンクの内底部付近まで上下方向に延びる複数本の配管と、該各配管同士の水平方向に対応する個所同士を結合する配管結合部材と、該配管結合部材により結合された配管の或る個所をタンク側壁に支持させるための水平方向の配管支持部材とからなるポンプバレルを備えたポンプバレル付きタンクの解析モデルを作成し、該解析モデルについて、タンクの底面の中心を原点とするタンク全体についての円筒座標を設定し、次に、タンク内の液体のラグランジュアン汎関数の変分と、タンク側壁及びタンク屋根からなるタンクシェルのラグランジュアン汎関数の変分と、配管及び、配管に接続された配管結合部材及び配管支持部材からなる梁部材のラグランジュアン汎関数の変分を求めると共に、該各変分を基に、上記ポンプバレル付きタンクの支配方程式系を変分原理の形で導き、次いで、タンク内の液体の速度ポテンシャルの解、及び、液面変位の解のモード展開式として上記配管が介入した状態で適用可能な許容関数を求め、且つ前記タンク内の液体の速度ポテンシャルの解を求めるときに、タンクの底面の中心を原点としてタンク全体について設定された円筒座標に加えて、配管毎に該配管の中心を基準とする局所的円筒座標を設定して、各配管の周辺領域で上記局所的円筒座標に基づいて求めた液体の速度ポテンシャルにおける第1種ベッセル関数に関する項を、タンク全体について設定した上記円筒座標での速度ポテンシャルである該円筒座標でのラプラス方程式の解で置き換えて、各配管表面とタンク側壁での境界条件にガレルキン法を適用してなる速度ポテンシャルを設定して、その解を求めるようにし、又、上記タンクシェルの変位の解を、液体と非連成時の固有モードで展開した形に表してなる許容関数を求め、更に、上記梁部材の変位の解を、各梁部材におけるタンク接合部での適合条件を満たす静的変位に、両端固定時の固有モードが加算された形に表してなる許容関数を求め、その後、上記液体運動、タンクシェルの変位及びポンプバレルの梁部材の変位の解の許容関数を、上記変分原理に代入し、ガレルキン法により離散化させて一般化座標に関する時間の常微分方程式を導出して、該導出された常微分方程式を解くことにより、上記ポンプバレルの応答を計算するようにしてあるので、ポンプバレルの配管に接続した配管結合部材や配管支持部材からなる梁部材の変位を求めるために該梁部材をFEM要素分割する手法に比して、ポンプバレルに生じる振動を解析する際の計算の自由度を低減させることができるため、地震時等のタンクの振動時に、該タンクの振動と、タンク内で揺動する貯蔵液体の運動の双方に連成してポンプバレルに生じる振動を解析するための計算の高速化を図ることができる。又、上記のように計算の自由度が減ることに伴って、入力データの作成も容易になる。
(2)よって、従来、ポンプバレルの振動の予測を汎用解析プログラムによる3次元FEM解析によって振動解析する場合には、入力データの作成と計算に数日を要していたが、上記本発明のポンプバレルの振動予測方法を用いる場合は、入力データの作成を40〜50分程度、計算を十数秒程度で実現することが可能になり、ポンプバレルの設計用パラメータスタディを従来に比して便利なものとすることができる。
(3)更には、動液圧、構造系の変位及び応力の時刻歴応答、或る時刻での分布、周波数応答を解析するための時間及びコストを低減させる効果が期待できる。
ここで、先ず、本発明のポンプバレルの振動予測方法を適用するポンプバレル付きタンク1の解析モデルについて説明する。
(1)上記配管結合部材7、及び、配管支持部材8については、断面の直径が配管6iの断面直径に比べて小さいので、上記タンク1内の液体9との相互作用は考えず、配管6i、及び、タンク1の弾性変位によって生じた運動エネルギ、及び、弾性歪みエネルギを介して、配管6i及びタンク1と連成振動するものとする。
(2)上記液体9の運動は非圧縮完全流体の渦なし流れとする。
(3)上記タンク1は柔軟な軸対称シェル(タンクシェル)としてモデル化する。なお、タンクシェルとは、上記タンク1における曲面を有する部分、すなわち、タンク側壁及びタンク屋根を指すものである。
(4)上記タンク1内で液体9が揺動(スロッシング)するときのスロッシング周波数に比して高い周波数域で起こる運動を対象とするため、液面波高は小さく、線形理論を用いる。
本発明のポンプバレルの振動予測方法を概説すると、以下のような解析手順としてある。
(1)先ず、支配方程式系を変分原理(エネルギ原理)の形で導く(1.3節)。
ここで説明を補足すると、本発明のポンプバレルの振動予測方法における解析では、解をモード展開で表し、支配方程式に代入してフーリエ展開のようにして展開係数(時間のみの関数)に関する常微分方程式に帰着させるようにする。このような方法をガレルキン法といい、解をモード関数で表したものを許容関数(ある条件を満たしているので許される関数)と呼ぶ。この方法を実行するためには、支配方程式だけでは不十分で、支配方程式を変分原理の形(変分を乗じて積分した形)に表したものが必要になる。よって、本発明のポンプバレルの振動予測方法では、先ず、支配方程式系を変分原理の形で導くようにするのである。
(2)次に、タンク1内に貯留された液体9の速度ポテンシャルの解、及び、液面変位の解のモード展開式を決定する(1.4節)。
(3)次いで、タンク1の変位の解を、液体9と非連成時の固有モード(FEMで決定)で展開した形に表す(1.5節;これは、荷重を受けない場合のモードを基底として、任意荷重に対する解を表すことを意味するものである)。
(4)更に、部材変位の解を、両端での適合条件(結合部分での変位の連続性)を満たす静的変位に、両端固定時の固有モードが重畳した(加算された)形に表す(1.6節)。
(5)その後、上記(2)〜(4)で求めた液体9運動、タンク1変位、ポンプバレル2の部材変位の解を上記(1)で導いた変分原理に代入し、ガレルキン法により一般化座標に関する時間の常微分方程式を導出する(1.7節)。しかる後、この常微分方程式を解くことにより、上記ポンプバレル2の応答を計算するようにする。
先ず、タンク1に貯蔵された液体9と、タンクシェルと、配管結合部材7及び配管支持部材8からなる梁部材系について、それぞれラグランジュアン汎関数の変分計算を行う。
次に、タンクシェルのラグランジュアン汎関数を、図4に示すような円すい台シェル要素を用いた有限要素法により求める。図4において
梁部材系のラグランジュアンを求めるため、各梁部材b(説明の便宜上、上記配管6i及び、配管結合部材7と配管支持部材8を代表する符号としてbを用いる。後述する各パラメータに付されたbは、梁部材bに関するパラメータであることを示すものである。)に関し部材座標x,y,zを設定する。xを軸方向座標とし、y,z方向は、鉛直部材ではX,Y方向にとり、その他の部材では次のようにしてx方向の単位ベクトルexの(X,Y,Z)成分(cx,cy,cz)からy,z方向の単位ベクトルey,ezの(X,Y,Z)成分を求めることにより決定する。
式(3)の右辺第1項は、液体9内の連続条件(ラプラス方程式)を表す。
式(3)の右辺第2項は、タンク底3の表面で法線方向の流速成分が0となる条件を表す。
式(3)の右辺第3項は、液面の振動速度とZ方向の流速成分が等しい条件を表す。
式(3)の右辺第4項は、タンク側壁4の表面(タンク内側面)で、法線方向のタンク1と液体9の速度成分が等しい条件を表す。
式(3)の右辺第5項は、配管6iの表面で、法線方向の配管6iと液体9の速度成分が等しい条件を表す。
式(3)の右辺第6項(最後から4番目の項)は、液体9の体積一定条件を表す。
式(3)の右辺第7項(最後から3番目の項)は、液面で圧力が0となる条件を表す。
式(3)の右辺第8項及び第9項(最後の2項)と式(8)は、動液圧、加振加速度による慣性力を受ける構造系(タンク1及び梁部材b)の運動方程式を表す。
加振周波数がスロッシング周波数に比べて高いとき、スロッシング波高は小さいが液体9が接している構造体近くでは液体9の運動が卓越する。このような液体運動を表すラプラス方程式の解によって、速度ポテンシャルを求める。配管6iの近くでは、速度ポテンシャルは、配管6iに関する局所的円筒座標系
前述した変分の式(3)、式(4)、式(6)、式(7)の和を0とおいたものが変分原理を与える。この変分原理[式(3)、式(4)、式(6)、式(7)]に、速度ポテンシャル[式(11)]、波高[式(15)]、タンクシェルの変位[式(19)、式(20)]、梁部材の変位[式(33)]を代入し、ガレルキン法により一般化座標に関する時間の常微分方程式系を導出する。
(1)全体速度ポテンシャルの配管6i表面での値は、配管6iの外径がタンク1の外径に比べ小さいので、
(2)各配管6iに関し、該各配管6iに取り付けてポンプバレル2を構成する梁部材bの法線ri方向の速度、速度ポテンシャルの法線方向微分は、次のように計算できる。
本発明のポンプバレルの振動予測方法の効果として、以上のようにして決定される上記式(41)及び式(42)を基に、数値例題を用いてポンプバレル2の振動予測を行った解析結果について示す。
数値例題に用いたパラメータを、以下の表1乃至表4に示す。
表6に、式(37)によって決定される固有振動数を示す。各モードについて、どの周方向波数成分が支配的であるかを調べ、表6に示した。
(1)配管6i(i=1,2)について、Y方向変位uY1,uY2は、X方向変位uX1,uX2に比べ非常に小さい。
(2)配管6i(i=1,2)のX方向変位uX1,uX2は同位相、Y方向変位uY1,uY2は逆位相である。
(3)タンク1と配管6iを結ぶ水平な配管支持部材8の位置Z=2.5m、13.5m、32.0mで、周方向角座標0度でのタンク側壁4の半径方向の変位[図6(a)]が、配管6i(i=1,2)のX方向変位に近い値となっている。
(1)配管6i(i=1,2)について、X方向変位は、Y方向変位に比べ非常に小さい。
(2)配管6i(i=1,2)のX方向変位uX1,uX2は逆位相、Y方向変位uY1,uY2は同位相である。
(3)タンク1と配管6iを結ぶ水平な配管支持部材8の位置Z=2.5m、13.5m、32.0mで、周方向角座標0度でのタンク側壁4の周方向の変位[図7(a)]が、配管6i(i=1,2)のY方向変位に近い値となっている。
式(41)中の減衰比ζkを0.03とし、加振入力として、9次振動モードの固有振動数としてのω9/2π=3.469Hzに近い加振周波数3.5Hzを有する、X方向の5波正弦波共振
(1)図13(a)より、部材端N4−N20に対応する配管支持部材8(図3参照)の軸方向圧縮応力は、部材端N4−N19に対応する配管支持部材8(図3参照)の軸方向圧縮応力の2倍程度大きい。
(2)図13(b)より、部材端N6−N24に対応する配管支持部材8(図3参照)の軸方向圧縮応力は、部材端N6−N23に対応する配管支持部材8(図3参照)の軸方向圧縮応力の6倍程度大きい。
2 ポンプバレル
4 タンク側壁
5 タンク屋根
6i 配管
7 配管結合部材
8 配管支持部材
9 液体
N1〜N26 部材端
Claims (1)
- 円筒状のタンク側壁とタンク屋根とからなるタンクの外周部における周方向の一部に、上記タンク屋根よりタンクの内底部付近まで上下方向に延びる複数本の配管と、該各配管同士の水平方向に対応する個所同士を結合する配管結合部材と、該配管結合部材により結合された配管の或る個所をタンク側壁に支持させるための水平方向の配管支持部材とからなるポンプバレルを備えたポンプバレル付きタンクの解析モデルを作成し、
該解析モデルについて、タンクの底面の中心を原点とするタンク全体についての円筒座標を設定し、
次に、タンク内の液体のラグランジュアン汎関数の変分と、タンク側壁及びタンク屋根からなるタンクシェルのラグランジュアン汎関数の変分と、配管及び、配管に接続された配管結合部材及び配管支持部材からなる梁部材のラグランジュアン汎関数の変分を求めると共に、
該各変分を基に、上記ポンプバレル付きタンクの支配方程式系を変分原理の形で導き、
次いで、タンク内の液体の速度ポテンシャルの解、及び、液面変位の解のモード展開式として上記配管が介入した状態で適用可能な許容関数を求め、
且つ前記タンク内の液体の速度ポテンシャルの解を求めるときに、タンクの底面の中心を原点としてタンク全体について設定された円筒座標に加えて、配管毎に該配管の中心を基準とする局所的円筒座標を設定して、各配管の周辺領域で上記局所的円筒座標に基づいて求めた液体の速度ポテンシャルにおける第1種ベッセル関数に関する項を、タンク全体について設定した上記円筒座標での速度ポテンシャルである該円筒座標でのラプラス方程式の解で置き換えて、各配管表面とタンク側壁での境界条件にガレルキン法を適用してなる速度ポテンシャルを設定して、その解を求めるようにし、
又、上記タンクシェルの変位の解を、液体と非連成時の固有モードで展開した形に表してなる許容関数を求め、
更に、上記梁部材の変位の解を、各梁部材におけるタンク接合部での適合条件を満たす静的変位に、両端固定時の固有モードが加算された形に表してなる許容関数を求め、
その後、上記液体運動、タンクシェルの変位及びポンプバレルの梁部材の変位の解の許容関数を、上記変分原理に代入し、ガレルキン法により離散化させて一般化座標に関する時間の常微分方程式を導出して、該導出された常微分方程式を解くことにより、上記ポンプバレルの応答を計算するようにすることを特徴とするポンプバレルの振動予測方法。
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