單直腸科里奧質(zhì)量流量計(jì)模態(tài)分析

單直腸科里奧質(zhì)量流量計(jì)模態(tài)分析

現(xiàn)在，科利奧的質(zhì)量流量計(jì)算機(jī)化的結(jié)構(gòu)和功能已經(jīng)發(fā)展到了高水平。在大多數(shù)應(yīng)用中，cmf測(cè)量流量的質(zhì)量流量和其他參數(shù)的精度可以滿(mǎn)足所需的要求。然而,有些CMF的工作環(huán)境過(guò)于惡劣,如鉆井現(xiàn)場(chǎng),其劇烈的外界振動(dòng)會(huì)降低CMF對(duì)鉆井液性能參數(shù)的檢測(cè)精度。因此,通過(guò)對(duì)CMF進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析,得出外界振動(dòng)對(duì)CMF的影響規(guī)律,并以此為基礎(chǔ)研究消除或利用外界振動(dòng)以提高CMF的檢測(cè)精度是十分必要的。1流體質(zhì)量流量的測(cè)量CMF是一種基于測(cè)量管振動(dòng)測(cè)量流體質(zhì)量流量及密度等參數(shù)的測(cè)量?jī)x器,其主要部件為測(cè)量管,下面以單直管型CMF為例,介紹其測(cè)量流體質(zhì)量流量和密度的工作原理,如圖1所示。單直管型CMF測(cè)量流體質(zhì)量流量的原理是,流體流經(jīng)CMF時(shí),充滿(mǎn)流體的測(cè)量管在激振器的作用下受迫振動(dòng),測(cè)量管中的流體受到科里奧利力的作用,作用給測(cè)量管一個(gè)力,使得測(cè)量管上以測(cè)量管的中間橫截面為對(duì)稱(chēng)面的任意兩位置處的振動(dòng)存在相位差。沿測(cè)量管對(duì)稱(chēng)安裝兩個(gè)拾振器,當(dāng)測(cè)量管受迫振動(dòng)時(shí),兩拾振器拾取它們所在位置處的相位差,由拾取的相位差可求得流體的質(zhì)量流量,計(jì)算公式為:式中:E為測(cè)量管的彈性模量;I為測(cè)量管的截面慣性矩;ω為測(cè)量管振動(dòng)的圓頻率;f(x)為僅與拾振器位置有關(guān)的參數(shù);α為兩拾振器位置處的相位差。由式(1)可知,當(dāng)測(cè)量管的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸和兩拾振器的位置確定后,測(cè)量管中流體的質(zhì)量流量只與兩拾振器測(cè)得的相位差α有關(guān)。測(cè)量流體密度時(shí),由于激振器和拾振器的質(zhì)量較小,故可將其質(zhì)量忽略,由彈性力學(xué)理論可知:式中:m為測(cè)量管和其內(nèi)流體的質(zhì)量和;K0為由振動(dòng)模式?jīng)Q定的常數(shù);m1為測(cè)量管的質(zhì)量;m2為測(cè)量管中流體的質(zhì)量;ρ為流體的密度;V0為測(cè)量管的容積。將式(2)和式(3)整理得,可知,當(dāng)測(cè)量管的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和尺寸確定后,流體的密度僅與測(cè)量管的振動(dòng)頻率有關(guān)。2建立測(cè)量管模型為研究外界振動(dòng)對(duì)單直管型CMF的影響,下面以文獻(xiàn)中的CMF為例進(jìn)行有限元建模和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析,其中,測(cè)量管的管長(zhǎng)為400mm,內(nèi)徑為20mm,壁厚為0.5mm,拾振器間距為200mm,測(cè)量管的材料密度為4510kg/m3,彈性模量為102.7GPa,泊松比為0.34。由于激振器和拾振器的質(zhì)量相對(duì)于測(cè)量管和管內(nèi)流體的質(zhì)量較小,對(duì)測(cè)量管的振動(dòng)頻率影響不大,故在建立測(cè)量管模型時(shí)可將其忽略,應(yīng)用ANSYS建立測(cè)量管的模型。選擇SHELL63單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,考慮到測(cè)量管的兩端與保護(hù)殼之間為焊接,可將其視為剛性連接,故在測(cè)量管模型的兩端施加全位移約束,并采用BlockLanczos法對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析,求解出測(cè)量管的前六階固有頻率和振型,測(cè)量管的前六階固有頻率依次為741.77Hz、741.86Hz、1950.9Hz、1951.1Hz、3619.5Hz、3619.8Hz。由分析結(jié)果可知,測(cè)量管的一、三、五階模態(tài)為測(cè)量管在YZ平面內(nèi)沿Y軸振動(dòng),為了研究正弦激振力對(duì)測(cè)量管振動(dòng)特性的影響,下面對(duì)測(cè)量管受不同激振頻率的激振力激振時(shí)做諧響應(yīng)分析,將激振力的激振頻率設(shè)為低頻、中頻和高頻三個(gè)頻率區(qū)間。3應(yīng)分析混合噪聲3.1測(cè)量管的amesis分析CMF工作時(shí),激振器施加給測(cè)量管一個(gè)沿y軸負(fù)方向的正弦力F(F=F0sin2πft,F0為激振力振幅,f為激振頻率,t為激振時(shí)間)。為了研究不同頻率F作用下測(cè)量管的振動(dòng)特性,選取表1所示的激振力參數(shù),應(yīng)用ANSYS對(duì)測(cè)量管進(jìn)行諧響應(yīng)分析。采用上述建立的有限元模型,在測(cè)量管兩端施加全位移約束,激振力F的作用點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)量管模型中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為467,采用Full法對(duì)測(cè)量管進(jìn)行諧響應(yīng)分析。分析結(jié)束后,打開(kāi)TimeHistPostproc后處理器,查看拾振器S1、S2對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的振幅,其中,拾振器S1對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為367,拾振器S2對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為567。由分析結(jié)果可知,當(dāng)測(cè)量管受低頻F作用時(shí),拾振器S1、S2對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)振幅的極差為節(jié)點(diǎn)367振幅的0.0071%,除去軟件本身的分析誤差,可將兩拾振器對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的振幅視為相等,從而用數(shù)據(jù)證明了單直管型CMF中兩拾振器對(duì)稱(chēng)安裝的必要性和合理性。3.2拾振器s1、s1與fpss使F的激振頻率分別取中頻和高頻區(qū)間,保持F的其它參數(shù)不變,在測(cè)量管的兩端施加全位移約束,仍采用Full法對(duì)上述模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析,并用TimeHistPostproc后處理器查看拾振器S1、S2對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的振幅,得出低頻、中頻和高頻F作用時(shí)兩拾振器對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的幅頻曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。由分析結(jié)果知,當(dāng)F的頻率為中頻區(qū)間時(shí),拾振器S1、S2對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)振幅極差為節(jié)點(diǎn)367振幅的281.9%,相差較大;當(dāng)F頻率為高頻區(qū)間時(shí),拾振器S1、S2對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)振幅極差為節(jié)點(diǎn)367振幅的0.02%,仍可將二者視為相等。由圖2可知,當(dāng)F的頻率為低頻區(qū)間時(shí),測(cè)量管的最大振幅對(duì)應(yīng)的激振頻率為741.76Hz,該激振頻率位于測(cè)量管的一階固有頻率附近,拾振器S1、S2對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的振幅隨F頻率的變化而急劇變化,測(cè)量管產(chǎn)生共振。當(dāng)F的頻率為高頻區(qū)間時(shí),測(cè)量管的最大振幅對(duì)應(yīng)的激振頻率為3619.52Hz,該激振頻率位于測(cè)量管的五階固有頻率附近,測(cè)量管也會(huì)產(chǎn)生共振。當(dāng)F的頻率為中頻區(qū)間時(shí),測(cè)量管的最大振幅遠(yuǎn)小于低頻和高頻F作用時(shí)測(cè)量管的最大振幅?？芍?當(dāng)F的頻率取不同頻率區(qū)間時(shí),拾振器S1、S2對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的振幅由大到小排序?yàn)?低頻區(qū)間振幅、高頻區(qū)間振幅、中頻區(qū)間振幅。由式(4)可知,對(duì)于單直管型CMF,測(cè)量管受y軸方向的激振力時(shí),當(dāng)激振力的激振頻率位于測(cè)量管的一階固有頻率附近時(shí),測(cè)量管發(fā)生一階共振,此時(shí)測(cè)量管的振幅最大,便于拾振器對(duì)測(cè)量管的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。4最大時(shí)兩拾振器節(jié)點(diǎn)不僅出現(xiàn)了一項(xiàng)為單管式型cmf使用上述CMF檢測(cè)鉆井液參數(shù)時(shí),鉆井現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)較為劇烈,不可忽略。為了研究鉆井現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)對(duì)CMF的影響,下面對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行譜分析,外界振動(dòng)響應(yīng)譜見(jiàn)表2。應(yīng)用ANSYSY對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行譜分析,采用Single-ptresp法擴(kuò)展模態(tài)、SRSS法合并模態(tài),用POST1命令讀取譜分析結(jié)果,得出測(cè)量管受外界振動(dòng)影響時(shí)的位移場(chǎng)和等效應(yīng)力場(chǎng)分布,如圖3、4所示。可知,該CMF受所述的外界振動(dòng)作用時(shí),測(cè)量管有三段區(qū)域產(chǎn)生大位移變化,其中一段大位移變化區(qū)域位于測(cè)量管的中間,另外兩段大位移變化區(qū)域分別靠近測(cè)量管的兩端。為了減少外界振動(dòng)對(duì)單直管型CMF的影響,當(dāng)其工作時(shí),兩拾振器對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)不在測(cè)量管的大位移變化區(qū)域內(nèi)。同時(shí),由式(1)可知,對(duì)于確定的單直管型CMF,流體質(zhì)量流量的檢測(cè)值只與兩拾振器采集的相位差有關(guān),為了提高單直管型CMF的檢測(cè)精度,兩拾振器采集的相位差越大越好,當(dāng)兩拾振器對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位于測(cè)量管的大應(yīng)變區(qū)域時(shí),兩拾振器采集的相位差α值較大,從而可以提高CMF對(duì)流體質(zhì)量流量的檢測(cè)精度。由圖4~5可知,對(duì)于上述單直管型CMF,兩拾振器對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)分別位于測(cè)量管上對(duì)稱(chēng)的兩段大應(yīng)變區(qū)域內(nèi),對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)區(qū)間分別為[400,428]和[512,538],上述CMF受到外界振動(dòng)影響時(shí),測(cè)量管振動(dòng)的小位移區(qū)域?qū)?yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)區(qū)間分別為[404,418]和[518,532],為了在增大拾振器采集的相位差α值的同時(shí)又減小外界振動(dòng)的影響,則兩拾振器對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)與測(cè)量管的中間橫截面對(duì)稱(chēng),且其對(duì)應(yīng)的最佳節(jié)點(diǎn)編號(hào)區(qū)間為[404,418]和[518,532]。5最佳激振頻率的確定利用ANSYS對(duì)單直管型CMF進(jìn)行有限元建模和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析,得到以下結(jié)論:(1)單直管型CMF的兩拾振器對(duì)稱(chēng)安裝是必要和合理的,對(duì)于單直管型CMF,激振力的最佳激振頻率為測(cè)量管的一階固有頻率。(2)單直管型CMF兩拾振器的安