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摘要]風洞試驗設備承受交變載荷。本文借助CAESAR II對設備進氣管線進行了應力分析,确定應力最大值(疲勞點)發生在 焊制異徑三通開孔部位。使用有限元軟件ANSYS對大開孔結構進行了模拟計算,依據JB 4732進行了疲勞評定。通過對比兩者的計 算結果認為,CAESAR II和ANSYS兩種軟件在對大型管系進行應力分析和疲勞評定時作用不同。
 
[關鍵詞]風洞設備;交變載荷;異徑三通;CAESAR II; ANSYS;大開孔;疲勞評定
風洞試驗設備是進行空氣動力實驗的高效 工具。伴随着試驗的啟動與停止,設備經曆了充 壓、洩壓全過程,是典型承受交變載荷的設備。 因此,在設計設備進氣管線時,除滿足強度及柔 性要求外,還應重點進行疲勞評定,從而保證系
統的安全可靠性。據不完全統計,壓力容器與管 道的失效事故中疲勞失效約占30%左右[1]。
 
1進氣管線設計條件
 
進氣管線設計條件見表1,管道規格及材料性 能見表2,交變載荷波動見圖1。
表1設計條件表
壓力/MPa 溫度/°c 設計使用年限(設計許用循環 次數) 介質 腐蝕裕量/mm
設計 工作 設計 工作
圖1交變載荷波動示意圖
2進氣管線應力分析
 
CAESAR II管道應力分析軟件是由美國
COADE公司研發的以梁單元為基礎的有限元分析 程序,可用于分析大型管系。本文借助該軟件建 立模型,從整體角度對風洞設備進氣管線進行了 詳細的應力分析。
 
2.1管系模型
 
由于大直徑管線(特别是薄壁管線)在受 到外力作用時,其橫截面(尤其是彎頭和三通位 置)會發生橢圓化,從而影響該處柔性系數和應 力增大系數的計算。根據文獻[2]中的解釋:對于 D/t< 100的管線,可近似認為彎頭和三通等位置
 
截面在外力作用下橢圓化傾向不大,仍可利用 CAESAR II進行計算。
 
定義材料特性時,輸入設計疲勞曲線。為了 保證計算結果的準确性,将管端封頭及其他附件 重量以集中力方式施加到相應節點之上[3]。管系模 型及載荷邊界條件見圖2。
 
2.2結果評定
 
管系是一個彈塑性結構,根據施加載荷的不 同,分别将應力限制在各自許用的範圍之内。分 析完畢,查看以下結果:
 
(1)提取安裝工況(SUS工況)和膨脹工況 (EXP工況)下的應力計算值。其中,SUS工況主
圖2管系模型及載荷邊界條件
要校核管系中的一次應力,而EXP工況則校核二 次應力。安裝工況及膨脹工況下的最大應力值參 見表3。
表3安裝及膨脹工況下應力最大值
應力類型 安裝工況/MPa 膨脹工況/MPa 所在位置
最大彈性名義應力 49.8 70.12 三通支管開孔處
 
(2)提取疲勞工況下的最小允許循環次數, 與設計許用循環次數相比來計算累計損傷系數, 如果此值小于1.0,則疲勞評定合格。通過計算可 知,管線最小允許循環次數為3627119,遠大于設 計許用循環次數,故疲勞評定合格。
 
(3)提取安裝和操作工況下的約束及位移報 告,為支架設計等提供依據。
 
3疲勞評定
 
通過上述計算,僅能得到整體管線中的應 力分布狀況,無法詳細評價大開孔焊制異徑三通 (開孔率0.9)的強度及疲勞性能。目前,國際上 主要的圓筒大開孔常規補強計算方法有德國壓力 面積法和美國ASME法,但兩者均有遺漏之處[4]。
 
本文借助全國鍋爐壓力容器标準化技術委員 會認證的通用有限元軟件ANSYS,采用分析設計 方法對該局部結構進行應力校核和疲勞評定。
 
3.1有限元模型
 
根據異徑三通的廣義軸對稱性以及載荷、約 束的對稱性,取環向1/4 (90 ° )、軸向1/2、以有 效厚度建立模型,并分别在主管和支管端部建立 大于應力集中衰減長度的直管段。采用高階3維20 節點結構單元SOLID 186對模型進行網格劃分。模 型和單元劃分見圖3及圖4。
 
3.2載荷與位移邊界條件
 
模型載荷與位移邊界條件如圖5所示。
圖3異徑三通模型圖
0 00_1000 00 <mm)
圖4模型單元劃分圖
-18 - ■論文廣場
(1)設計(工作)工況下,在異徑三通内表 面施加設計(工作)壓力;
 
(2)在遠離結構不連續的兩端施加固定約 束,約束三個方向位移為0,UX、UY、UZ=0;
 
(3)在所有對稱面上施加對稱位移約束。
500 00
圖5載荷與位移邊界條件圖
3.3 FEA計算結果
 
計算完畢,利用ANSYS自帶的誤差分析進行 誤差評估,保證誤差在10%以内。
 
大開孔焊制異徑三通在設計及工作工況下的 應力強度分布雲圖如圖6、圖7。
 
3.4應力校核
 
應力分析設計方法,簡稱分析設計,是一個 基于彈性應力分析和塑性失效準則的設計方法' 而應力等效線性化處理則是對有限元應力分析結 果進行分類的一個重要環節。通過等效線性化, 将應力分解成沿壁厚均勻分布、線性分布和非線 性分布的三個部分。
 
一般情況下,應力線性化路徑的選取原則 為:通過應力強度最大值節點穿透壁厚最短方向 選定路徑;對于相對高應力強度區域沿壁厚方向 設定路徑[1]。
 
遵循JB4732-1995《鋼制壓力容器一分析設計 标準》(2005年确認)中強度分析設計法:
 
一次總體薄膜應力強度SdKSmS 一次局部薄膜應力強度SnSUKSmt;
 
一次薄膜加一次彎曲應力強度SISUKSmt; 一次加二次應力強度SivS3.0KSmt;
 
通過應力校核,大開孔焊制異徑三通滿足強
圖6設計工況下應力強度分布雲圖
圖7工作工況下應力強度分布雲圖-
度要求。
3.5疲勞評定
 
疲勞分析以應力分析為基礎,在結構一次應 力強度和一次加二次應力強度分别滿足限制條件 的前提下才能進行。其方法主要有三種,即基于 實驗的疲勞設計、以斷裂力學為基礎的疲勞設計 和采用設計疲勞曲線的疲勞設計。
 
壓力容器與壓力管道的低周高應變疲勞破壞 多發生在結構不連續區域。當此處的最大彈性名 義應力大于材料屈服極限的兩倍時,結構處于不 安定狀态,加之峰值應力的存在,可能會萌生裂 紋并擴展,最終導緻疲勞破壞。
 
本文根據JB4732-1995《鋼制壓力容器一分析 設計标準》(2005年确認)附錄C的有關規定進行 疲勞評定,以确定結構承受預計循環載荷而不發 生疲勞破壞的能力。
 
 
 
 
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