一种管路系统及其减振设计方法

技术领域

本发明涉及管道领域，尤其涉及一种管路系统及其减振设计方法。

背景技术

管道振动的减振方式包括主动振动控制以及被动振动控制。在工业或工程领域中，最为常用的是被动振动控制。其中，被动振动控制常用方法提高支承刚度、采取隔振措施和安装减振器。如加大支承数量、合理的布置支承位置、加大支承座体积以提升管道的刚度，在支承处布置橡胶垫、弹簧隔振器等隔振元件进行隔振以减少振动传播，在管路上安装减振器，吸收管路产生的振动以减小振动传播等。

然而，在实际应用中，提高管路支承刚度、采取隔振措施和安装减振器的被动控制方法之间并没有相互配合使用的方法。增加管路支承虽然会提高管路刚度，减小管路振动，但同时会对周围的管路产生耦合，使振动更容易传播至使用场景。采取隔振措施虽然能减少管路振动向使用场景的传播，但解决不了管路自身振动大的问题。安装减振器虽然能吸收管路产生的振动，但无法提高管路的支承刚度。而减振器与其他方式配合使用目前还未有系统的方法，配合不好可能还会导致减振器作用减小，管路振动放大的现象。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种管路系统及其减振设计方法，以解决上述问题。

本发明实施例提供了一种管路系统，包括管道以及配置于所述管道上的多个减振器；其中，所述减振器包含套设于管道外周缘的本体和填充于所述本体内的阻尼介质；所述本体开设有内腔，所述内腔分隔为多个腔室，用以分别放置所述阻尼介质。

优选地，所述阻尼介质为颗粒材料，且经由包覆件用以将预设数量的所述颗粒材料组装形成阻尼袋，多个所述阻尼袋构造为不同填充率的形式并堆积放置于所述内腔中。

优选地，所述本体大致呈抱箍状，且通过隔离件将所述内腔分隔，对应以形成相对独立的所述腔室；其中，各所述腔室沿环设于管道的方向相隔开。

优选地，每一减振器均与外部的承托支架相连，经由承托支架竖向配置在减振器与安装平面之间，使得所述承托支架的其中一端抵接于所述减振器一侧，其中另一端配置在所述安装平面；其中，还包括缓冲支架，多个所述缓冲支架沿管路的布设方向间隔设于不同的减振器之间，用于承托所述管道以悬置于所述安装平面上。

优选地，所述管道的两端部分别对接于外部管接头；所述管道为软管，且所述减振器可拆装的配置于软管各端部且靠近于管接头处。

优选地，所述管道的两端部分别对接于外部管接头；所述管道为硬管，所述硬管的中部对应可拆装配置有至少一所述减振器。

本发明实施例另提供了一种管路系统的减振设计方法，其包括：

对待处理的管路系统在工作状态下进行振动测试，以确定所述管路系统的振动分布主要频段和扫频试验频率范围；

根据所述管路系统的类型，对建立的管路系统模型进行模态动力学仿真，获得管路系统模态振型；

根据确定的所述管路系统的振动分布主要频段以及所述管路系统模态振型，确定减振器模型在管路系统模型中的安装位置，并将减振器模型设置于所述安装位置上，获得减振系统模型；

根据所述扫频试验频率范围，通过有限元离散元耦合对所述减振系统模型进行仿真以确定所述减振器模型的各项配置参数的最优值，并基于所述配置参数的最优值进行减振设计。

优选地，当管路系统的类型为硬管结构，且支承形式为无支承或刚性支承时，通过有限元仿真对管路系统进行模态动力学仿真；

当管路系统采用硬管结构且支承形式弹性支承，或采用软管结构时，先对管路系统中使用弹性材料的结构进行单轴拉伸、等双轴拉伸，平面拉伸实验，准确获得弹性材料的非线性超弹性分析模型的参数，设置非弹性有限元仿真的材料属性，再将非线性有限元仿真的参数矩阵，导入管路系统模型进行模态动力学仿真。

优选地，根据确定的所述管路系统的振动分布主要频段以及所述管路系统模态振型，确定减振器模型在管路系统模型中的安装位置，并将减振器模型设置于所述安装位置上，以获得减振系统模型，具体为：

根据所述管路系统模态振型以及振动分布主要频段得出不同阶次下的管路振动最大点；

将减振器模型装至管路系统模型相应阶数振动最大点下，以获得减振系统模型；其中，减振器通过粒子间的非弹性碰撞和摩擦来消耗振动能量，将减振器装至管路系统相应阶数振动最大点下能提高粒子的碰撞次数和产生的摩擦能量，提高减振器耗能效果。

优选地，所述减振器模型的配置参数至少包括以下其中之一：减振器的分腔数量、粒子填充方式、粒子材质、粒子直径、粒子填充率、粒子表面摩擦因子。

优选地，根据所述扫频试验频率范围，通过有限元离散元耦合对所述减振系统模型进行仿真以确定所述减振器模型的各项配置参数的最优值，并基于所述配置参数的最优值进行减振设计具体包括：

将减振系统模型导入有限元与离散元软件，采用网格划分，依据减振器模型的几何尺寸定义网格尺寸和疏密程度；其中，网格划分采用四面体单元；

将减振器模型中的粒子系统视为若干个离散单元体，对其采用离散元方法进行计算；

将管路及其支承结构视为连续单元实体，采用有限元方法进行仿真计算；其中，有限元的每个网格单元的内应力和变形采用隐式时间格式线性有限元法进行求解；具体地，利用离散元方法计算出在管路系统模型结构激励作用下，减振器中粒子系统的激励状态，计算出粒子系统对减振器结构的阻尼力，再通过基于形函数的节点转换方法，将该阻尼力转换到管路系统模型的有限单元中，重复多个时间步长，得到整个仿真时间的粒子阻尼力；

根据所述扫频试验频率范围，设置有限元离散元耦合仿真分析管路系统模型扫频激励的频率范围，以模拟工作状态下管路系统的振动激励；其中，分别对不同分腔数量、不同粒子材质、不同粒子直径、不同粒子填充率进行有限元离散元耦合仿真，以管路扫频激励下的结构响应加速度总有效值作为衡量标准，得到不同管路系统参数下减振器的配置参数的最优值。

优选地，通过基于形函数的节点转换方法，将该阻尼力转换到管路系统模态振型的有限单元中具体为：

对管路系统模态振型进行四面体网格划分时，对离散元减振器模型进行三角形壳单元划分，划分过程中保证几何单元体在离散元计算与有限元计算的网格单元一一对应，即保证两者的单元ID、节点编号一致；其中，所述四面体单元由四个三角形壳单元组成；

在通过离散元法仿真出的三角形壳单元上，以单元ID号为基础，将每个单元ID上所受到的粒子阻尼力在局部坐标系上合成，统计出每个三角形壳单元的受力情况。

优选地，通过离散元法仿真出的三角形壳单元上，以单元ID号为基础，将每个单元ID上所受到的粒子阻尼力在局部坐标系上合成，统计出每个三角形壳单元的受力情况具体为：

对离散元中平面三角形壳单元接触力进行等效移置；

计算有限元中三角形壳单元的等效节点力；

根据所述接触力以及等效节点力，将减振器中边界粒子与四面体单元的作用力转换到对应节点标号，以单元ID号以及单元结点号作为纽带，将粒子材料的阻尼效果以时刻上的阻尼力表示出来，从而建立其离散元计算方法与有限元计算方法的耦合作用。

优选地，对离散元中平面三角形壳单元接触力进行等效移置具体为：

对于一个三节点三角形平面单元，以及M粒子作用在三角形壳单元上，其接触力通过如下方式计算得到：

对于一个位于x-y平面中心P点的局部坐标系(x，y，z)，设其与三角形壳单元的平面一致；则u

局部坐标系的x方向与u

局部坐标系与整体坐标系的关系为：

{x，y，z}

对于管路系统结构的振动响应，管路系统中每个节点有六个自由度，包括三个位移和三个角度；位移矩阵{U

{U}

其中

{U}

{A}

{u

接触力诱发的外部虚功为：

其中

此时，局部坐标系下等效节点力：

将局部坐标系下的接触力转换为整体坐标系下的接触力：

局部坐标系下的节点力通过如下公式转换：

得到整体坐标系下节点的接触力

优选地，三角形壳单元的等效节点力是将作用在三角形壳单元上的集中力、表面力和体积力分别移置到节点上，再对各节点上的力合成；在计算弹性体全部单元的等效节点力之后，将所有等效节点力进行集合，得到整体结构节点载荷列阵；

其中，等效节点力的大小应按虚位移原理来确定，即等效节点力所做的功与作用在单元上的三种力在任何虚位移上所做的功相等；即

({σ

式中等号左边表示三角形壳单元的等效节点力{R}

三角形壳单元内各点的虚位移为{f

{f

于是有：

({σ

等式右边[N]

于是有

{R}

为此，载荷阵列可以写成：

对于集中力等效载荷列阵，逐点合成各单元的等效节点力，并按节点号码的顺序进行排列，便可组成弹性体的集中力等效载荷列阵，即

其中，{F}

等效节点力阵列：

{F}

单元节点的虚位移为：

相对应的，对于表面力载荷，把作用在三角形壳单元边界上的表面力移置到节点上，即可以到各三角形壳单元的表面力的等效节点力，逐点合成后，按照节点号码顺序排列，便组成了弹性体表面力的等效载荷列阵；

对于体积力的等效载荷列阵，由三角形壳单元体积力等效在各节点处合成后，按节点号码顺序排列合成；

将减振器中边界粒子与四面体单元的作用力转换到对应节点标号，以单元ID号以及单元结点号作为纽带，将粒子材料的阻尼效果以时刻上的阻尼力表示出来，从而建立其离散元计算方法与有限元计算方法的耦合作用。

优选地，在根据所述扫频试验频率范围，通过有限元离散元耦合对所述减振系统模型进行仿真以确定所述减振器模型的各项配置参数的最优值，并基于所述配置参数的最优值进行减振设计之后，还包括：

根据所述扫频试验频率范围以及所述各项配置参数的最优值，对有限元离散元耦合仿真得到的仿真结果进行实验室扫频试验验证，并对减振系统减振器采用粒子包袋填充方式和直接填充方式进行试验对比，以确定最终的减振设计方案。

上述一个实施例中，通过套设在管道外周缘的本体，且阻尼介质填充在本体1开设的内腔中，使得减振器套置在管道A上用以吸收管道A产生的振动，大幅减小振动的传递。经由管道A振动从而引起阻尼介质在内腔的流变、碰撞，形成阻尼效应，从而耗散能量，有效减弱了管道A的振动，且装配方便、占用空间小，利于操作使用。另外的，内腔分隔为多个腔室，使得每一腔室均放置有阻尼介质，一方面阻尼介质可以直接填装在内腔的腔室中而不会过多增加本体的质量和空间的占用，另一方面保证阻尼介质在各自腔室内的自由活动，避免阻尼介质过多堆叠导致的阻尼失效，确保减振器能够在振动环境中具有良好的减振、降噪效果，极大避免了管道A损坏以及对其他相联动设备的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1是本发明一实施例的管路系统的结构示意图。

图2是本发明一实施例的减振器的结构示意图，其中，为了便于展示隐藏部分侧盖板。

图3是图1中的减振器的箍体的部分拆解示意图。

图4是本发明一实施例的管路系统在其中一优选的场景应用示意图。

图5是本发明一实施例的管路系统在缓冲支架为弹性支撑时的场景应用示意图。

图6是图5在另一视角下的结构示意图。

图7是本发明一实施例的管路系统在缓冲支架为刚性支撑时的场景应用示意图。

图8是本发明一实施例的减振器的阻尼袋的结构示意图。

图9是图8在其中一个视角下的剖示图。

图10是本发明一实施例的管路系统在另一优选的场景应用示意图。

图11是本发明一实施例的减振器的减振效果比对图。

图12是管路系统的减振设计方法的流程示意图。

图13是离散元中平面三角形壳单元的接触力的示意图。

图14是有限元中三角形壳单元的等效节点力的示意图。

图15是将每个单元ID上所受到的粒子阻尼力在局部坐标系上合成，统计出每个壳单元的受力情况的示意图。

图16是不同数量腔室的加速度总有效值对应图。

图17是不同粒子材质的加速度总有效值对应图。

图18是不同粒子直径的加速度总有效值对应图。

图19是不同粒子填充率的加速度总有效值对应图。

图20是直接填充和采用包袋形式填充的对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

结合图1至图3，本发明一实施例提供了一种管路系统，包括管道A以及配置于管道A上的多个的减振器。其中，减振器包括：套设于管道A外周缘的本体1以及填充于本体1内的阻尼介质2。本体1开设有内腔，内腔分隔为多个腔室13，用以分别放置阻尼介质2。

本实施例中通过套设在管道A外周缘的本体1，且阻尼介质2填充在本体1开设的内腔中，使得减振器套置在管道A上用以吸收管道A产生的振动，大幅减小振动的传递。经由管道A振动从而引起阻尼介质2在内腔的流变、碰撞，形成阻尼效应，从而耗散能量，有效减弱了管道A的振动，且装配方便、占用空间小，利于操作使用。另外的，内腔分隔为多个腔室13，使得每一腔室13均放置有阻尼介质2，一方面阻尼介质2可以直接填装在内腔的腔室13中而不会过多增加本体1的质量和空间的占用，另一方面保证阻尼介质2在各自腔室13内的自由活动，避免阻尼介质2过多堆叠导致的阻尼失效，确保减振器能够在振动环境中具有良好的减振、降噪效果，极大避免了管道A损坏以及对其他相联动设备的干扰。

在其中一种实施例中，阻尼介质2为颗粒材料，且经由包覆件7用以将预设数量的颗粒材料组装形成阻尼袋，多个阻尼袋构造为不同填充率的形式并堆积放置于内腔中。其中，通过填充有阻尼介质2的本体1套设于管道A的外周缘，从而减小各管道A线路的振动强度，保证各管路的平稳运行，进一步保证管道A在实际应用中的安全和效率。在管路系统中加装减振器，可起到良好的减振效果。另外，阻尼介质2为颗粒材料，其通过包覆件7将预设数量的颗粒材料组装形成阻尼袋，并将阻尼袋堆积置于本体1的内腔中，以包袋填充的方式既能汇集颗粒材料以达到用户预设的形态，从而使得阻尼介质2的填充更为集中，并且，能够减少颗粒材料的边缘化挤压(挤压置于内腔的腔壁缘)，起到良好的减振效果，结构简单、操作方便，利于推广适用。

在优选的实施方式中，各阻尼袋具有不同预设数量的颗粒材料，且内腔分隔为多个腔室13，用以分别放置不同数量的阻尼袋。通过各阻尼袋具有不同数量的颗粒材料，使得阻尼袋具有不同的阻尼减振效果。并且，不同的腔室13内填充有不同减振效果的阻尼袋且数量也不同，使得各腔室13的减振效果具有多样性，用以消除不同的振动峰值，大大提高管路减振器的减振、降噪性能。

在一种实施例中，包覆件7为塑料包袋，其具有用以收纳颗粒材料的容腔71以及可开合以连通至容腔71的封口72。通过包袋中对封口72的启闭，对应以增加或替换颗粒材料，能够改变阻尼袋的阻尼效果，且满足阻尼袋的封装需求。在其他实施例中，包覆件7亦可以是高分子材料、乳胶或橡胶等软质外壳结构，能够实现包覆多个颗粒材料即可。

在一种实施例中，特别的，本体1大致呈抱箍状，且通过隔离件将内腔分隔，对应以形成相对独立的腔室13。其中，各腔室13沿环设于管道A的方向相隔开。抱箍状的本体1环设套置在管道A外周缘，确保之间的相互紧配，提升减振的稳定性。另外的，各个独立腔室13之间沿环设方向间隔布设，适应于管路的振动扩散方式(沿管道A四周向外扩散)，进一步增强了各腔室13的减振效果。

请参阅图4和图7，每一减振器均与外部的承托支架5相连，经由承托支架5竖向配置在减振器与安装平面之间，使得承托支架5的其中一端抵接于减振器一侧，其中另一端配置在安装平面。具体地，延伸设置的安装耳12用于与外部的承托支架5相连，经由承托支架5竖向配置在减振器与安装平面之间，使得承托支架5的其中一端抵接于安装耳12，其中另一端配置在安装平面。以提供减振器在管道A中的承托支撑，且在一定程度上可以通过承托支架5间接对管道A的振动进行传递、分解。

在一种实施例中，该管路系统还包括缓冲支架6。多个缓冲支架6沿管路的布设方向间隔设于不同的减振器之间，用于承托管道A以悬置于安装平面上。进一步地，通过承托支架5和缓冲支架6均能够支撑管道A重量，并且，还可以限制管道A位移和吸收振动，保证管道A本身的安全，能够有效的减少管路的振动，避免产生振动以及噪声。

请参阅图5和图6，在一种优选的实施方式中，缓冲支架6是通过抵接支撑于环设在管道A外周缘的卡箍，以支撑配置在安装平面与管道A之间。较佳地，每一卡箍的底部至少配置有两个缓冲支架6。其中，缓冲支架6是弹性支撑在管道A与安装平面之间，具体可以是通过卡箍与管道A之间嵌套有橡胶垫圈，或是缓冲支架6优选为弹性支撑杆，从而实现缓冲支架在管道A的弹性支撑配置。特别的，呈弹性支撑的缓冲支架6沿管路布设方向至少分别配置在一减振器的两侧，以实现管道A更为高效的减振降噪。通过在管路系统刚度较为薄弱处增加弹性支承，可有效提高管路系统刚度，并能够使其振动减小，可以有效吸收管路振动。弹性支承的方式能够使得管路系统产生的振动不易传播至安装平面的使用场景中(如船舶、建筑、军工等)，也能够避免使用场景所产生的振动传播至管路系统引起管道A振动剧烈。

请参阅图7，在另一实施例中，缓冲支架6是刚性支撑在管道A与安装平面之间的。具体地，缓冲支架6为刚性支撑杆并且通过卡箍直接环设在管道A外，从而实现缓冲支架在管道A的刚性支撑配置。其中，呈刚性支撑的缓冲支架6沿管路布设方向的两侧至少分别配置有一个减振器，以使得管道A的振动能够在置于两减振器之间的缓冲支架6处减弱。当采用刚性支承时，减振器应布置在离管路中刚性支承较近的两侧，从而使得管路系统产生的振动在传播至缓冲支架6及使用场景之前将大部分振动吸收，使振动大幅减小。同理，亦可以将使用场景的振动吸收，使传播至管路系统的振动大幅减小。

在一种实施例中，优选的，管道A为软管，且减振器可拆装的配置于软管各端部且靠近于管接头处。通过将减振器安装配置在软管两端与管接头8的连接处，使得的减振效果显著提升。当管道A为软管时，由于软管刚度较小，将减振器布置于管路中软管的两端部，且靠近外部管接头8的两侧，能够使管路系统的变形小，并且软管两端的振动能被减振器所吸收，使软管及外部管接头8处产生的振动大幅减小，减小了管路间的磨损，大大提高了软管的寿命。特别的，软管为橡胶软管或金属软管。减振器的本体1通过箍体11间的拆装组配，适应于与各种软管的紧固贴合，使得减振效果更强。

在其他实施例中，管道A可以为硬管。具体地，硬管的中部对应可拆装配置有至少一减振器。当管道A为硬管时，优选的将减振器布置于硬管的中部。由于硬管刚度大，减振器的重量对管路系统的变形影响较小，并且硬管中的振动较为剧烈处在靠近其中部区域，从而将减振器可拆装的配置在硬管中部，一方面能够对管路系统的变形产生较小影响，另一方面可通过减振器充分吸收管路系统中的振动，起到高效的减振降噪功能。

请参阅图10，在一种优选的实施方式中，管道A的两端部配置有减振器，并且管道A的中部对应可拆装配置有至少一减振器(图未示)。通过加装于管道A中部的减振器，使其配合位于管道A端部处的减振器，从而共同对管道A进行减振、降噪，效果极佳。

请参阅图11，为本发明的减振器的减振效果比对图。具体地，加装于管道A两端部的减振器与未加装减振器，对管道A及其环境进行振动测试，得到安装前后的振动频谱曲线。图中曲线3代表的是未加装减振器时管路的振动情况，曲线4代表的是于管道A两端部加装减振器时管路的振动情况，与未加装相比，可直观的看出在管道A两端部处加装减振器，其管道A的振动大大降低。

请参阅图12至图14，本发明实施例还提供了一种管路系统的减振设计方法，其包括：

S101，对待处理的管路系统在工作状态下进行振动测试，确定所述管路系统振动分布主要频段和扫频试验频率范围。

S102，根据所述管路系统的类型，对建立的管路系统模型进行模态动力学仿真，获得管路系统模态振型。

在本实施例中，首先需对待处理的管路系统进行建模生成管路系统模型，接着再采用仿真的方法对管路系统模型进行仿真计算。其中，具体地，当管路系统的类型为硬管结构，且支承形式为无支承或刚性支承时，通过有限元仿真对建立的管路系统模型进行模态动力学仿真以获得路系统模态振型；当管路系统采用硬管结构且支承形式弹性支承，或采用软管结构时，先对管路系统中使用弹性材料的结构进行单轴拉伸、等双轴拉伸，平面拉伸实验，准确获得弹性材料的非线性超弹性分析模型的参数，设置非弹性有限元仿真的材料属性，再将非线性有限元仿真的参数矩阵，导入管路系统模型进行模态动力学仿真来获得管路系统模态振型。

其中，上述所称的管路系统模态振型是对管路系统模型进行模态动力学仿真后得到的，表征的是管路系统的振动状态、振动方式，并可由此得出管路系统振动最大的位置。

S103，根据确定的所述管路系统振动分布主要频段以及所述管路系统模态振型，确定减振器模型在管路系统模型的安装位置，并将减振器模型设置于所述安装位置上，以获得减振系统模型。

在本实施例中，减振器主要是通过粒子间的非弹性碰撞和摩擦来消耗振动能量，因此将减振器装至管路系统相应阶数振动最大点下能提高粒子的碰撞次数和产生的摩擦能量，能够有效提高减振器的耗能效果。

具体为：

首先，根据所述管路系统模态振型以及振动分布主要频段得出不同阶次下的管路振动最大点。

然后，将减振器模型装至管路系统模型相应阶数振动最大点下，以获得减振系统模型。

其中，在本实施例中，需要先建立减振器模型，然后在获得各阶数振动最大点后，将减振器模型添加至管路系统模型的相应位置处，即可以获得包含管路系统模型以及减振器模型的减振系统模型。

S104，根据所述扫频试验频率范围，通过有限元离散元耦合对所述减振系统模型进行仿真以确定所述减振器模型的各项配置参数的最优值，并基于所述配置参数的最优值进行减振设计。

在本实施例中，减振器模型包括一些必要的配置参数，这些配置参数包括减振器的分腔数量、粒子填充方式、粒子材质、粒子直径、粒子填充率、粒子表面摩擦因子。

在获得减振系统模型后，还需要对减振器模型的配置参数进行求解，以获得最佳的减振效果。

具体地，可通过有限元离散元进行耦合仿真来确定减振系统模型中的减振器的分腔数量、粒子填充方式、粒子材质、粒子直径、粒子填充率、粒子表面摩擦因子的最优值。

在本实施例中，减振器模型的粒子系统为离散系统，因此采用离散元方法进行计算；而管路及其支承结构为连续单元实体，计算时采用有限元方法进行计算。有限元离散元耦合仿真的基本思路是将减振器中的粒子系统视为若干个离散单元体，而管路系统的计算采用有限元法计算其响应，每个网格单元的内应力和变形采用隐式时间格式线性有限元法进行求解。然后利用离散元方法计算出在管路系统结构激励作用下，减振器中粒子系统的激励状态，计算出粒子系统对减振器结构的阻尼力，再通过基于形函数的节点转换方法，将该阻尼力转换到管路系统的有限单元中，重复多个时间步长，得到整个仿真时间的粒子阻尼力。

其中，基于形函数的节点转换方法如下所述：

首先，对管路系统模型进行四面体网格划分时，对离散元减振器模型进行三角形壳单元划分，划分过程中保证几何单元体在离散元计算与有限元计算的网格单元一一对应，即保证两者的单元ID、节点编号一致；其中，所述四面体单元由四个三角形壳单元组成；

然后，在通过离散元法仿真出的三角形壳单元上，以单元ID号为基础，将每个单元ID上所受到的粒子阻尼力在局部坐标系上合成，统计出每个三角形壳单元的受力情况。

具体地，包括：

对离散元中平面三角形壳单元接触力进行等效移置。

其中，如图2所示，对于一个三节点三角形平面单元，以及M粒子作用在三角形壳单元上，其接触力通过如下方式计算得到：

对于一个位于x-y平面中心P点的局部坐标系(x，y，z)，设其与三角形壳单元的平面一致；则u

局部坐标系的x方向与u

局部坐标系与整体坐标系的关系为：

{x，y，z}

对于管路系统结构的振动响应，管路系统中每个节点有六个自由度，包括三个位移和三个角度；位移矩阵{U

{U}

其中

{U}

{A}

{u

接触力诱发的外部虚功为：

其中

此时，局部坐标系下等效节点力：

将局部坐标系下的接触力转换为整体坐标系下的接触力：

局部坐标系下的节点力通过如下公式转换：

得到整体坐标系下节点的接触力

然后，计算有限元中三角形壳单元的等效节点力。

其中，如图3所示，三角形壳单元的等效节点力是将作用在三角形壳单元上的集中力、表面力和体积力分别移置到节点上，再对各节点上的力合成；在计算弹性体全部单元的等效节点力之后，将所有等效节点力进行集合，得到整体结构节点载荷列阵；

其中，等效节点力的大小应按虚位移原理来确定，即等效节点力所做的功与作用在单元上的三种力在任何虚位移上所做的功相等；即

({σ

式中等号左边表示三角形壳单元的等效节点力{R}

三角形壳单元内各点的虚位移为{f

{f

于是有：

({σ

等式右边[N]

于是有

{R}

为此，载荷阵列可以写成：

对于集中力等效载荷列阵，逐点合成各单元的等效节点力，并按节点号码的顺序进行排列，便可组成弹性体的集中力等效载荷列阵，即

其中，{F}

等效节点力阵列：

{F}

单元节点的虚位移为：

相对应的，对于表面力载荷，把作用在三角形壳单元边界上的表面力移置到节点上，即可以到各三角形壳单元的表面力的等效节点力，逐点合成后，按照节点号码顺序排列，便组成了弹性体表面力的等效载荷列阵；

对于体积力的等效载荷列阵，由三角形壳单元体积力等效在各节点处合成后，按节点号码顺序排列合成；

如图15所示，将减振器中边界粒子与四面体单元的作用力转换到对应节点标号，以单元ID号以及单元结点号作为纽带，将粒子材料的阻尼效果以时刻上的阻尼力表示出来，从而建立其离散元计算方法与有限元计算方法的耦合作用。

在本实施例中，根据上述计算得到的所述接触力以及等效节点力，将减振器中边界粒子与四面体单元的作用力转换到对应节点标号，以单元ID号以及单元结点号作为纽带，将粒子材料的阻尼效果以时刻上的阻尼力表示出来，即可建立其离散元计算方法与有限元计算方法的耦合作用，进而模拟工作状态下管路系统的振动激励。

具体的，在模拟时，根据所述扫频试验频率范围，设置有限元离散元耦合仿真分析管路系统模型扫频激励的频率范围，以模拟工作状态下管路系统的振动激励；其中，可分别对不同分腔数量、不同粒子材质、不同粒子直径、不同粒子填充率进行有限元离散元耦合仿真，以管路扫频激励下的结构响应加速度总有效值作为衡量标准，得到不同管路系统参数下减振器的配置参数的最优值。

例如，以下以一实际的管路系统的最优配置过程对本实施例进行说明。

a、如图16所示，分别对两腔室、四腔室、六腔室、八腔室的减振器结构进行有限元离散元耦合分析，设置粒子材质为铁合金，粒子直径为2mm，填充率为80％。在管路扫频激励下有限元离散元耦合仿真的结构响应加速度总有效值对比可以得出在该管路系统及其工作振动激励下，减振器结构最优分腔数应为六腔室。

b、如图17所示，分别对铁合金、钨基合金、铜合金、铝合金的减振器粒子材质进行有限元离散元耦合分析，设置减振器结构为六腔室，粒子直径为2mm，填充率为80％。在管路扫频激励下有限元离散元耦合仿真的结构响应加速度总有效值对比可以得出在该管路系统及其工作振动激励下，减振器粒子材质最优应为铜合金。

c、如图18所示，分别对6mm、4mm、3mm、2mm的减振器粒子直径进行有限元离散元耦合分析，设置减振器结构为六腔室，粒子材质为铜合金,填充率为80％。在管路扫频激励下有限元离散元耦合仿真的结构响应加速度总有效值对比可以得出在该管路系统及其工作振动激励下，减振器粒子直径最优应为4mm。

d、如图19所示，分别对40％、60％、80％、100％的管路系统减振器粒子填充率进行有限元离散元耦合分析，设置减振器结构为六腔室，粒子材质为铜合金，粒子直径为4mm。在管路扫频激励下有限元离散元耦合仿真的结构响应加速度总有效值对比可以得出在该管路系统及其工作振动激励下，减振器粒子填充率最优应为80％。

在本实施例中，优选地，在获得所述配置参数的最优值之后，还包括：

根据所述扫频试验频率范围以及所述各项配置参数的最优值，对有限元离散元耦合仿真得到的仿真结果进行实验室扫频试验验证，并对减振系统减振器采用粒子包袋填充方式和直接填充方式进行试验对比，以确定最终的减振设计方案。

其中，根据步骤S101得出的扫频试验频率范围，对实验管路系统施加相同频率范围的扫频激励，以管路系统扫频激励下的结构响应加速度总有效值作为衡量标准，验证管路系统在与工作频段相同激励下的减振效果。

如图20所示，通过实验验证发现管路系统减振器采用粒子包袋填充方式的减振效果比直接填充的效果更好。

综上所述，基于本发明实施例提出的管路系统的减振设计方法，能在不改变管路系统的支承结构下通过调整管路减振器配置方式优化管路振动问题，从而使管路减振系统的管路减振器与管路支承方式最优适配，有效地降低管路系统的减振效果。

上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。