通过一个管道振动分析学习Abaqus关键字

边界条件

管道左端（图10-9所示模型中的节点1）为固支约束。管道右端同样需要施加约束，但由于需在该端施加轴向拉力，因此仅约束自由度2至6（即除轴向平移外的所有自由度）

        在此示例中，您将研究一段5m长管道系统的振动频率。该管道由钢材制成，外径为18cm，壁厚为2cm（见图10-8）。

图10-8 待分析的管道系统局部示意图

该管道一端被固定，另一端仅能轴向移动。这段5米长的管道系统可能承受频率高达50 Hz的谐波载荷。未加载结构的最低振动模态为40.1 Hz，但该数值未考虑管道所承受的载荷对其响应的影响。为确保该管段不发生共振，需要确定使最低振动模态高于50Hz所需的在役载荷大小。已知该管段在服役时将承受轴向拉力。首先考虑4 MN的载荷量级。

由于管道横截面的对称性，其最低振动模态将表现为垂直于管道轴线的任意方向上的正弦波变形。采用三维梁单元对管段进行建模分析。

1 坐标系

采用默认的全局坐标系。将坐标原点设置在管段左端，并使管道轴线与全局1轴重合，如图10-8所示。

2 网格设计

采用30个等间距分布的二阶管道单元（PIPE32）对管段进行网格划分。本讨论所用模型的节点和单元编号如图10-9所示。

图10-9 节点与单元编号（从左至右均按1递增）

现在开始逐段分析inp文件。

确认已使用正确的单元类型（PIPE32），且单元集命名具有适当的描述性。

*ELEMENT, TYPE=PIPE32, ELSET=PIPE

创建包含管段两端节点的节点集。以下选项块为图10-9所示模型创建节点集：

*NSET, NSET=LEFT1*NSET, NSET=RIGHT61

梁单元属性

PIPE32单元将采用*BEAM SECTION, SECTION=PIPE选项进行定义。该梁截面类型需通过外半径（90mm）和壁厚（20mm）进行定义。由于管道截面具有对称性，本模型中梁截面几何方向的定义比前面章节中货轮起重机模型更为简便。将近似法向量定义为矢量（0., 0., –1.0）。在本模型中，实际法向量将与该近似矢量重合。模型中应包含以下选项块：

*BEAM SECTION, ELSET=PIPE, MATERIAL=STEEL, SECTION=PIPE0.09, 0.020.0, 0.0, -1.0

材料属性：

*MATERIAL, NAME=STEEL*ELASTIC200.E9, 0.3*DENSITY7800.0

分析步：

在此仿真中，需要研究钢管段在施加4 MN拉伸载荷时的特征模态与特征频率。因此，载荷历史数据将分为两个分析步：

第一分析步：通用分析步
施加4 MN的拉伸力

第二分析步：线性摄动分析步
计算模态与频率

这些分析步中的实际时间量值对结果没有影响；除非模型包含阻尼或率相关材料属性，否则在静力分析程序中"时间"不具有物理意义。因此，在通用分析步中采用1.0的步长时间。

第一分析步——施加4 MN拉伸力

需审阅定义第一个分析步所需的选项，包括过程定义、边界条件、载荷施加及输出请求。

分析步与求解过程定义

第一个分析步为包含几何非线性效应的通用静力分析步。指定初始增量步长为总步长时间的1/10，使ABAQUS在第一个增量步内施加10%的载荷。采用以下选项块定义分析流程：

*STEP, NLGEOMApply axial tensile load of 4.0MN*STATIC0.1, 1.0

边界条件：

管道左端（图10-9所示模型中的节点1）为固支约束。管道右端同样需要施加约束，但由于需在该端施加轴向拉力，因此仅约束自由度2至6（即除轴向平移外的所有自由度）

*BOUNDARYLEFT, 1, 6RIGHT, 2, 6

拉伸载荷：

*CLOADRIGHT, 1, 4.0E6

在这种情况下，载荷直接施加到先前定义的节点集上。请在输入文件的*CLOAD选项中使用您模型中定义的节点集名称或具体节点编号。

输出请求：

每10个增量步向重启动文件写入一次数据。此外，每10个增量步将预先选定的场数据以及单元25的应力分量和应力不变量作为历史数据写入输出数据库文件。使用FREQUENCY参数抑制向数据文件输出节点和单元打印信息。以下选项块定义了这些输出请求：

*ELSET, ELSET=ELEMENT2525*RESTART, WRITE, FREQUENCY=10*OUTPUT, FIELD, FREQUENCY=10, VARIABLE=PRESELECT*OUTPUT, HISTORY*ELEMENT OUTPUT, ELSET=ELEMENT25S, SINV*NODE PRINT, FREQUENCY=0*EL PRINT, FREQUENCY=0 *END STEP 

第二分析步——提取模态与频率

第二分析步用于提取受拉管道的固有频率。所需选项说明如下：

分析步与求解过程定义

在第二分析步中，需要计算管道在受载状态下的特征模态与特征频率。本步骤采用的特征频率提取过程（FREQUENCY选项）属于线性摄动分析。虽然仅关注第一阶（最低）特征模态，但仍需为模型提取前八阶特征模态。请在FREQUENCY选项块的数据行中指定该数值。由于所需特征值数量较少，建议使用子空间迭代特征求解器。定义分析流程的选项块应如下所示：

*STEP, PERTURBATIONExtract modes and frequencies*FREQUENCY, EIGENSOLVER=SUBSPACE8

载荷条件

需要获取受拉管段的固有频率。该分析步不涉及任何摄动载荷的施加，且固定边界条件将从先前的通用分析步中继承。因此，无需在本步骤中指定任何载荷或边界条件。

输出请求

由于先前通用分析步中的输出请求不会继承至线性摄动步，必须重新定义所需输出。需要将数据写入重启动文件和输出数据库文件，但不向数据文件输出节点或单元结果。以下选项块定义了这些输出请求：

*RESTART, WRITE*OUTPUT, FIELD, VARIABLE=PRESELECT*NODE PRINT, FREQUENCY=0*EL PRINT, FREQUENCY=0*END STEP

状态文件

在作业运行期间检查状态文件。分析完成后，状态文件的内容将显示如下：

SUMMARY OF JOB INFORMATION: STEP  INC ATT SEVERE EQUIL TOTAL  TOTAL      STEP       INC OF       DOF    IF               DISCON ITERS ITERS  TIME/    TIME/LPF    TIME/LPF    MONITOR RIKS               ITERS               FREQ   1     1   1     0     1     1  0.100      0.100      0.1000       1     2   1     0     1     1  0.200      0.200      0.1000       1     3   1     0     1     1  0.350      0.350      0.1500       1     4   1     0     1     1  0.575      0.575      0.2250       1     5   1     0     1     1  0.913      0.913      0.3375       1     6   1     0     1     1  1.00       1.00       0.08750      2     1   1     0     4     0  1.00       1.00e-36   1.000e-36 

两个分析步均已显示，且线性摄动步（第二分析步）对应的计算时间非常短：*FREQUENCY分析过程（或任何线性摄动过程）不会对模型的总体载荷历史产生影响。

每个特征模态对应的固有频率将在图表标题中显示。在施加4 MN拉伸载荷时，该管段的最低固有频率为47.1 Hz。拉伸载荷提高了管道的刚度，从而增加了管段的振动频率。该最低固有频率仍处于谐波载荷的频率作用范围内；因此，管道在此载荷条件下使用时仍可能存在共振风险。

因此需要继续开展仿真分析，对管段施加更大的拉伸载荷，直至找到能使管段固有频率提升至可接受水平的载荷量级。无需重复整个分析过程并逐步增加轴向载荷，可通过ABAQUS的重启动功能，在前次仿真基础上继续扩展载荷历史进行新的分析。