内压作用下椭圆管道应力及极限载荷数值分析.pdf

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1、第37卷第3期化工机械33l内压作用下椭圆管道应力及极限载荷数值分析4万先平料蒋诚航金志江陈坡王晓芳(浙江大学化工机械研究所)摘要采用有限元方法分析含椭圆度的管道在内压作用下的应力分布和塑性极限栽荷，考察不同椭圆度、壁厚以及管径条件下，管道应力分布和极限栽荷值的变化。结果表明，含椭圆度管道的最大应力随椭圆度的增大而迅速增大，管道极限载荷值随椭圆度增大而线性减小。椭圆度、壁厚及管径时管道的安全性有很大影响。关键词压力管道椭圆度极限栽荷应力分析有限元中图分类号TQ055．8文献标识码A文章编号0254-6094(2010)03_033l-04管道的安全评定在工业生

2、产过程中是非常重要的。压力管道大都采用韧性较好的材料，其失效模式通常为由极限载荷控制的塑性失效⋯。已有不少研究人员提出了压力管道极限承载能力的计算方法旧一。，以便获取管道的极限载荷，也为管道失效的判定提供了依据。与圆管相比，在制造、安装方面，椭圆形管道的难度较大，而在相同工况条件下，椭圆形管道的安全使用寿命要比圆管短Ho。目前，很多工业部门都要用到椭圆形截面管道，如电力、石油及化工部门等"o。此外，工业压力管道在制造或使片j过程中也会产生一定的椭圆度‘引。笔者采用有限元分析方法，对含椭圆度的工业压力管道进行线弹性的应力分析及非线性的极限载荷计算分析。1有限元模

3、型1．1椭圆管道模删笔者所研究的椭圆管道足指管段的内外径同心，形成壁厚相同的椭圆截面的管道(图1)，设椭圆外径最大尺寸为D⋯、最小尺寸为D赢，椭圆度e的计算式¨1为：e=2(D。，一D。；。)／(D。。。+D。；。)×100％图1管道椭圆度模型1．2管道有限元模型因管段相对于通过管道轴线的平面对称，相对垂直于管道轴线的平面也对称，故此处取管道的1／4建立模型(图2)，为避免管段端部效应的影响，管段的长度取管径的3倍左右。该模型包含有46207个节点和19440个单元。利用AN—SYS有限元软件，采用SOLID45单元，20号钢材料属性根据真实应力．应变曲线确定

4、，弹性模量E=210GPa，泊松比p=0．3。1．3载荷与约束在管段内壁施加均布内压，约束管道一端节点处的全部自由度，称其为固定端，而另一端不加约束，称为自由端；在管道中心对称面上施加对称约束。同时为了模拟管道端部封闭的情况，将轴向压事浙江省科技计划重点科研工业项目(2007C21069)。··万先平，女，1987年8月生，硕士研究生，浙江省杭州市，310027。332化工机械2010掘图2管道有限元模型力载荷折算为作用在自由端面上的均布拉力：肚p再麓尺：式中F——管道端面等效均布拉力；P——管道内压；R，、R：——管道长半轴外、内径。2管道线弹性应力分析对管

5、道的薄膜应力和弯曲庇力进行线弹性的应力分析，此处的薄膜应力是由管道内压引起的，弯曲应力则主要是由于管截面的椭圆形状在内压作用下产生的附加弯矩所引起的。2．1椭圆度对应力分布影响笔者用ANSYS软件对含不同椭圆度管道模型进行r线性计算，以椭圆度为变化参量(取值范闱为0—0．15，以0．01递增，共取16个值)，求得各管道模喇的最大VonMises应力值，并在各个模型上沿壁厚取4条路径(图3)，分别为自由端的长、短半轴处和固定端的长、短半轴处，查看这4条路径的薄膜应力和弯曲应力，并做数据记录和分析。图3管道模型应力路径根据各模型计算所得的最大VonMises应力值

6、、路径卜的薄膜应力及弯曲应力随椭圆度增加的变化情况，计算结果分别如图4—6所示。矗山善R型欺■一山苫R翻餐凝一a一罨R恻魍秘图4最大应力与椭圆度关系图5薄膜应力与椭圆度关系图6弯曲应力与椭圆度关系从图4～6可以得出以下结论：a．随椭圆度的增大，管道最大VonMises应力值逐渐升高。其他条件相同时，椭圆度e=0．15的管道计算所得的最大VonMises应力值是圆管的1．89倍。b．比较各条路径上的薄膜应力，除路径1上的随椭圆度的增大而略有降低之外，其余路径上的值都随椭圆度增大而有所增加，但是幅度并不是太大。c．比较各条路径上的弯曲应力值则发现，第37卷第3期化

7、工机械333随椭圆度增大，自由端长、短半轴处所取的两条路径上弯曲应力迅速增加，且增长幅度非常大，在椭圆度e=0．15时，路径1上的弯曲应力是e=0．01时弯曲应力的12倍，路径2上的弯曲应力值也达到了e=0．01时的8．9倍。但固定端所取两条路径上的弯曲应力值增加幅度不大，这町能与管道模型对管道端面所加的固定约束有关。上述分析，说明椭圆管道相比圆管存在弯曲应力，比圆管更容易被破坏。所以，为提高管道的使用寿命，减小管道的椭圆度是一种重要途径。2．2壁厚、管径对应力分布影响一定椭圆度条件下，管道的壁厚尺寸和管道半径的变化对管道的应力也有很大影响。笔者用ANSYS有

8、限元软件分别对壁厚和管道长轴半径变化条