研究的目的及意义：

压缩机是压缩和输送一定压力、温度流体的通用机械设备，与工农业和生活的各个领域密切相关，在石油化工、冶金、钢铁、国防、农业和交通等领域发挥着重要作用。目前由于设计、制造、安装不当等造成的管路系统振动情况时有发生，对生产安全等构成巨大威胁，强烈的振动会降低机器动力机械效率，同时产生噪音；使操作人员和工作人员等产生不适，分散其注意力，降低其工作效率，提高了失误率；使工况情况变坏，导致如阀片损坏，控制仪表失真等事故；引起管道结构及其附件的疲劳破损，尤其是连接部位处产生松动及破裂，可能引起泄露、爆炸甚至次生灾难等，造成严重的生产事故。近年来，据统计，在设备事故中由压缩机管路系统所引起占近三分之一，在百起报告中，管道振动所引起的事故可占到第二位，美国由此每年损失百亿以上。而国内工业水平相比美国相对落后，管道振动所引起的事故可占管路破坏事故的四分之三。

引起往复压缩机管路振动的原因可简单分为三类：一、机器的基础设计不合理或动力平衡存在问题，从而引发管路振动；二、当压缩机的激发频率与管路系统的某阶固有频率接近时，引发的管路系统的共振；三、管路系统内的气流脉动。在压缩机的运行过程中，由于吸排气过程为间歇性，使得管路内的气流速度与压力产生周期性的现象，即气流脉动。气流脉动所引发的管路振动分为两个同时存在的系统，其一是管路内气体组成的气柱系统，在受到间歇性吸排气干扰后发生的振动。其二是由管道及其附件与支架等管路结构系统，受到在管路的阀门、异径管、弯头等部位所产生的激振力，产生较大管路振动，引起管路结构系统的压力脉动增大，导致振动幅值与应力的增大，产生剧烈的管路振动。由实践证明，海洋平台压缩机管道振动的根源是气流脉动。控制压缩机管道系统内的压力脉动，使其处于容许范围之内，目前被认为是解决管道振动问题的根本办法。

而对由于气流脉动而引起的管道振动问题，主要考虑从两方面加以解决：其一是对压缩机管路系统的合理设计，即在设计时，通过对管路内气柱的固有频率、压力幅值等动力特性与管路结构的固有频率、应力、振幅等动力特性的计算，以及对各种方案的核算，选择符合设计要求的管路系统，保证管路系统在压缩机运行中的平稳可靠。其二是对已经产生振动的管路系统采取消振措施，如设置或调整缓冲罐的位置、在特定位置添加孔板、设置气流脉动衰减器、添加或改变支承方式等。

因此，为保证管路系统的正常运行，进行对于气柱固有频率、节点压力脉动以及激振力等的计算是必不可少的。在设计管道时，除了上述计算，还必须对管系的结构固有频率和机械振动进行分析和计算。综合考虑和计算之后，才能准确预计管系在工作时的振动情况，判断出管道工作时的安全可靠程度。本论文采用PULS软件对2501压缩机气流脉动进行计算分析，并以此为基础，采用专用软件CAESARII建立管道模型，进行管道强迫振动响应计算与分析。

管道振动研究的国外现状：

上世纪50年代，国外科研工作者就已经开始进行对压缩机管道振动方面的探索和研究。这些研究主要分为两个方面：其一是对气柱的固有频率、振幅等结构动力方面以及管路中的气柱压、气体的速度与密度等进行求解，同时建立管路中的气柱数学模型。其二是对管路系统的动力响应与模态进行计算。通过一段长时间的研究，国外学者提出了很多数值计算方法，但是这些计算方法，只是应用传统数学微分方程，对简单管路固有频率进行了粗略计算，仍存在一定的缺陷与局限。

20世纪50年代，Ashley和Haviland等人对流体管道弯曲振动方面进行了分析与研究，同时推导出简单的弯曲振动的运动微分方程。Niordson等人采用梁模型忽略流体压力、重力、外部拉压力等因素的方法来分析与研究壁厚不变的细长直管道，推导出一定条件下的等直管振动方程。对于简单结构的管路系统，可采用雷利法等方法计算出其低阶频率。Hurry在1960年对均匀直角梁在平面内的弯曲振动进行分析研究时，提出模态综合法。模态综合法可以把复杂系统的结构划分为若干假设模态的简单子结构，从而根据变形与内力协调条件，将分解的简单子结构整合为复杂结构，由此表示总结构的振动模态。1962年，L.E.kinsler和A.K.Frey等人假设在管道内的压力脉动值很小，且管径与管长比小时，阻尼与速度成正比，介质的密度、压力与速度在相同截面上相等，在此基础上利用平面波动理论，对管道内的流体特性进行研究，推导出了平面波动方程组。

但是当管系处于共振时，脉动幅值将超过线性范围，推导出的平面波动方程组不再适用。1964年，叶山真治和毛利等人将阻尼与管路内的介质流速的平方成正比，将共振区域进行调节，从而得到的平面波动理论同样适用于共振区，使计算误差得到改善，大体上能够满足实际工程设计的要求。

20世纪70年代，酒井敏之、山田荣等人开始分析研究往复压缩机管路系统的脉动，计算了管路系统的压力脉动。Benson和Singh等人通过应用单级活塞式压缩机的气体动力学模型，模拟管路的气流脉动，分析研究了气流脉动的影响因素等。1972年，Elson和Soedel等人在之前的基础上，发现了气缸气阀的质量流量与运动状态等对气柱共振的影响，在数学建模方面起到了重要作用。70年代中叶，在The M.W.Kellogg Company公司出版的大量矩阵代数运算的理论成果的基础上，Bickford等人应用传递矩阵法，在考虑了剪切变形和转动惯量等因素的情况下，对平面梁的弯曲振动进行了分析研究。1975年，藤川猛首次在管路系统的振动分析与计算中，应用有限元解析法对管路的结构固有频率进行了计算，得到了精确结果。1981年Cabelu和Shepherd通过对有限元方法的应用，研究了几何参数不同的弯头对声波反射的模态向量以及向前传播的传递矩阵，求解出了方程的解。之后，多重网格方法Multi Grid Method（MGM）的应用，使得在数据存储量不增加的情况下，得到精确结果，同时利用有限差分法，加速计算得到实验结果。2001年SK.Biswas和N.U.Ahmed对管道振动进行优化并找到了最小振动下的最佳流速。二十一世纪初，美国石油学会制定了管路气流脉动的API618，严格限制了气流脉动的振动，在世界范围内被广泛应用，多次改善后，目前更新至第五版。