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摘要:應用ANSYS分析軟件對内壓作用下大異徑擠壓三通進行了應力計算和分析,得到了該三通模型的 應力分布規律的數值結果,用理論計算結果驗證了有限元分析結果的可靠性,給出了擠壓三通肩部轉角半徑大小對 三通強度的影響。結果表明,三通在主支管相貫處應力集中程度很高;當外轉角給定時,最大應力與内轉角近似成 二次曲線關系。根據計算結果及相關文獻,提出了計算擠壓三通最大應力的經驗關聯式。
 
關鍵詞:擠壓三通;有限元法;應力分析
 
三通是石化天然氣工業中的一個重要的連接管 件。工業上常采用鑄造、焊接等方式制作三通,近年 來,擠壓三通以其獨有的優勢越來越多的被采用⑴。 關于三通等管道元件的應力分析的研究無疑具有重 要的理論意義和應用價值,因此,已有大量的文獻讨 論過這類問題。Goodall W[2]最先讨論了在内壓作 用下設備開孔的應力分析,同時給出了三通,大小頭 等元件的應力分析,胡海龍等[3]編制了有限元程序, 計算了偏心圓筒的彈塑性應力、容積殘餘變形率,給 出了相應的變化規律;Schroeder J等[4-5]基于對 Mises屈服面的近似,通過假設變形速度場具有一 定的自由度,使得三通極限壓力上限接近真實值,但 此方法局限于支主管直徑比小于0 . 4的情況。
 
Junker A T㈤對實驗用的焊制三通進行了彈塑性有 限元分析,計算得到的極限面内彎矩與實驗結果的 最大誤差為8%,但是讨論異徑擠壓三通的論文卻 比較少,尤其缺少可供工程設計人員參考的數據資 料。由于三通結構為主支管相貫,屬于結構不規則 幾何體,因此應力分析比較複雜,常規的數學分析比 較困難,至今沒有完整的強度理論解析解。通常,工 程上采用極限載荷法、削弱系數法、壓力面積法、等 面積補強法等方法進行應力分析,這些方法都有其 局限性,很難精确的判斷三通結構的應力分布規律, 其結果往往偏于保守[7—9]。與傳統上把三通作為筒 體開孔補強不同,本文采用ANSYS軟件對多種異 徑擠壓三通進行了較為全面的應力分析,給出了大 量的數值結果,并與理論結果做了對比,驗證了有限 元解法的可靠性。由于實際工程配管設計中,目前 國内外沒有相應的大厚壁異徑擠壓三通的設計、制 造标準,本文的計算結果可以為工程設計提供參考。
 
1擠壓三通有限元模型
 
采用的異徑擠壓三通計算模型如圖1所示。結 構僅承受内部均勻壓力/>,結構關于坐标;yoz 對稱。為使大小頭端面位移約束對過度圓弧面影響 不至于太大(聖維南原理),主支管長度取相對較大 值。
圖1異徑擠壓三通計算模型
1.1 有限元模型
 
擠壓模型由于采用了特殊的擠壓工藝和合理的 模具擠壓成型,使得轉角區壁厚有所增加,通過改變 轉角區的半徑可以較好地改善其應力分布狀态。考 慮到結構和載荷的對稱性,選取結構的1/4進行分 析,有限元計算模型如圖2所示。選用8節點實體 單元(solid45),該單元每個節點有x,:y,z三個方向 的自由度,單元有塑性,徐變,膨脹,應力強化,大變 形和大應變能力。能夠較好的模拟三通在加載過程 中的變形。
 
本文對六面體單元組成的支管1,轉角過渡區 2,及主管4進行映射網格化分,中間體3為七面體 單元,劃分為兩個六面體後再用六面體單元映射劃 分網格或采用自由網格化分。得到的三通模型如圖 2所示。單元沿厚度方向分為3層,共計3 483個單 元,1 595個節點。
 
 
在結構的對稱面上施加對稱約束,在主、支管端 面施加固定約束,内表面施加均布載荷 >,這樣就得
到了約束充分的有限元模型。假設材料為理想的彈 塑形材料,采用Von Mises屈服準則對Q235材質、 管件壁厚采用schl60的擠壓三通進行應力分析。 1.3模型的有效性驗證
 
為了考察有限元計算結果的可靠性,将本文的 計算結果與文獻[7 — 8]的計算結果進行了比較。選 取的主支管尺寸為:認=60,D= 219,乃=9,T2 = 23 ,J?j =10,i?2 = 12,單位為 mm,内壓 /> = 12 MPa, 計算結果的比較見表1,可以看出文獻[7 — 8]的計 算結果偏于保守,當把内外倒角退化到0,本文的計 算模型可以理解為不帶補強的異徑焊制三通,并與 相同條件下的文獻[9]做了對比,見表1,兩者的計 算結果相吻合,由此可以看出本文的擠壓異徑三通 的計算模型是可靠的。
 
 
2.1主支管對三通主應力的影響
 
首先考察了相同壓力0=12 MPa),相同過渡 區倒角(^ = 10 mm,J?2 = 12 mm)下,不同主支管 尺寸對應的最大主應力,這裡選用的三通壁厚是 ASME标準中schl60的管件壁厚,其結果如表2所
 
7K。
 
從表2中可以看出,主管尺寸一定的情況下,随 着支管尺寸的增加,其最大應力随之增大;而在支管 尺寸一定的情況下,随着主管尺寸的增加,其最大應 力沒有規律,但可以得出一些應力相對較小的主支 管組合。
 
2.2内壓與最大應力之間的關系
 
給定主管尺寸26. 67 cm,支管尺寸6. 67 cm,過 渡區倒角沁=10 mm,R2 = 12 mm,圖3給出了多 個内壓所對應的最大主應力值,可以看出均布内壓 與最大主應力為線性關系[1°一11],而實際情況中, 當p>20 MPa時,材料變形已經進人塑性階段,彈 性應力應變關系巳經不再适應,應重新進行擠壓三 通的塑性分析才能得到其應力峰值。具體請參見文
 
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