往复压缩机管道气柱固有频率有限元数值计算及声学实验分析

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本文主要研究了气柱固有频率对压缩机管道系统振动的影响,同时讨论分析了各种不同管道结构对气柱固有频率的影响。根据经典的声学波动理论,推导出气柱固有频率的有限元刚度矩阵方程,采用模态分析法对管道气柱固有频率进行数值计算与分析。与传统的转移矩阵法相比,模态分析法不仅计算模型直观,建模快捷,而且避免了传统计算方法的漏根现象。然后在数值计算的基础上,通过管道的声学模拟实验,对计算结果进行了验证。本文所提出的气柱固有频率模态分析法,是使用有限元软件的声学模态分析法。该方法根据经典的声学波动方程建立有限元方程推导而得来,通过有限元软件建立不同的管道气柱声学模型,加上适当的边界条件,应用非对称法对所建模型进行声学模态分析,并得出气柱的固有频率。运用这种方法能够准确、快速的计算出任何形状的压缩机管道系统。声学模拟实验是运用声波传播原理来模拟压缩机管道中气柱的共振,通过实验的方法直接测出管道气柱的固有频率。在实验系统中,用不同大小的声学信号来激发实验管道中的空气,当两者频率重合时就发生共振现象,通过测量此时的声学信号频率大小得出气柱固有频率值。这种实验方法其原理和过程都非常贴近真实的管道共振,并且能够应用于任何形状的压缩机管道系统,因此得出的结果准确、可信。本文在建立压缩机管道系统气柱固有频率模拟方法的基础上,运用数值计算与实验模拟研究了压缩机管道元件对气柱固有频率的影响,分析了管道的长度、阀门的开启度等对各阶气柱固有频率密集性的影响,在相同的条件下出现共振的可能性;而具有支管、弯管的复杂压缩机管道系统由于受到各种不同管道元件的共同影响,其气柱固有频率出现了不规律的变化。这对减少压缩机管道在工作时的振动会造成不利的影响,通过本文的研究,验证了有限元数值计算气柱固有频率的结果准确、可靠,同时还得出来各种管道结构对气柱固有频率的影响,直管道长度越长,越容易出现共振,弯管角度越大,越容易共振,阀门关闭程度越大,越容易共振。这些分析结果为压缩机管道系统设计中,如何避开共振区域提供了计算模拟方法和实验依据,从而提供高了管道系统的安全性和可靠性。
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