基于ANSYS的内衬陶瓷复合管的压溃失效分析.pdf

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1、220化工机械2013年基于ANSYS的内衬陶瓷复合管的压溃失效分析张洪霖+孟庆武(东北石油大学机械工程学院)摘要应用ANSYS软件对非线性板压溃进行了模拟分析并进行了试验研究，对比模拟与试验结果总结出了板压溃中管体可能的失效范围、最大压强和最大压力。对管体中裂纹产生的原因以及模拟与试验结果的误差作出分析。关键词内衬陶瓷复合管开裂压溃失效ANSYS中图分类号TQ055．8文献标识码A文章编号0254-6094(2013)02-0220-03内衬陶瓷钢管因具有良好的耐腐蚀、耐高温和耐热冲击性能，在各个行业中得

2、到了广泛应用¨1。但是由于现场施工的不规范以及地壳运动使管体承受过大压力导致陶瓷层开裂，从而引发腐蚀致使管体失效。笔者应用ANSYS有限元软件对管体进行了压溃仿真，对于中间层采用布操作，简化了中间层，并用公式计算出管体的失效值，经过对比内层陶瓷的压强，得出了压溃失效的距离范围。对试验研究与模拟仿真结果的差异性进行分析，为后续研究提供支持。1建模过程按照内衬陶瓷管体实物尺寸，D=?3ram，d，=62mm，d：=55．6ram，因为长度对试验影响极小，只要足够即可，本试验长度取50ram。外层钢体的钢级为N8

3、0，内层为陶瓷层，中间层为烧结层，经测算气孔率小于5％。复合管内外层材料的力学性能见表1旧1。表1建模所需材料的部分力学性能将管体简化为属性不同的内、外两层管体，按照表1赋予的材料属性，图1清楚地显示了不同材料在管体中的情况，在管体上方增加长度为D的钢板，钢板设置为钢体，即认为钢板不变形、可忽略厚度，钢板与管体边界条件为接触，生成接触对并镜像。建模结果如图2所示。图1网格化显示材料3D图图2下压过程中管体及板的受力示意图笔者对钢板底面实行全约束，对上板面施加十张洪霖，男，1986年8月生，硕士研究生。黑龙江

4、省大庆市，163318。第40卷第2期化工机械221均布力，方向为一Y，因为此处一次变形特别容易出现模拟与试验不同的结果，故施加时间步(设置为5步"1)。分析此处模拟与试验的不同主要是因为金属在塑性变形阶段金属分子层会出现滑移，增加了钢层管体的形变，所施加的压力并没有瞬间全部传导至陶瓷层，设置时间步可最大限度地还原金属的塑性变形阶段力的传导的消减∞J。2材料的力学性能根据前期的调研与总结得出表2H1，表2中显示了不同A1203比例时，陶瓷材料的抗弯与抗拉强度。表2陶瓷材料力学性能MPa由于钢层的抗弯强度远大

5、于陶瓷层，并不能单纯地以陶瓷材料的力学性能定义为整个管体失效强度，笔者采用小田原修∞一1公式计算陶瓷内衬复合管压溃强度：crP=等×币％×[1+÷(志)](1)矿，2i×丽而万×【1+T(而)J(1)kl+罢Xln(等)(2)式中D——中线直径，mm；k——断面系数截面几何因子；￡。——试样的长度，mm；p。——压缩载荷一位移曲线上偏离直线转折点处的载荷值，N；t——试样管段壁厚度，mm；盯。——抗压强度，MPa。在此取长度L。=50mm，t=2．8ram，代入计算得盯。=554MPa，即管体在554MPa

6、的压力下陶瓷层碎裂。3基于ANSYS的模拟根据模拟计算得出，管体下压距离d=3．895mm时，陶瓷层达到最小载荷强度值，大于200MPa，此时外层管体所承受的最大应力为568MPa，大于矿。，此时管体已发生塑性变形，内层或许已有微裂纹产生；在下压距离d=4．490ram时，内层陶瓷达到最大载荷强度值即350MPa，而外层管体所承受的压力仅为577MPa，相比d=3．895mm时并无较大增长。综上可知：非线性板压溃下压距离d=3．895—4．490ram时管体碎裂。在本次模拟中，力是从中轴线上垂直向下施加的，

7、故只设置了接触，并没有施加约束，即上下板与管体外表面接触，并随着压力的增大接触面积不断增大。这种板体的压溃通常是在试验室等理想条件下的压溃，压溃会随着管体塑性变形导致管体与上下板面的接触面积不断增大，位移与力的大小不呈线性关系。由应力云图(图3)可以看出，管体上下部分及两侧承受较大应力，是最大应力出现的地方。通过力的分析可知，陶瓷管的上下部分在试验过程中承受拉应力，形成张裂纹，同时由于左右两侧承受压应力，形成压裂纹。I焉宅，聂专亍聂专景焉已!!!，，⋯图3非线性板压溃结果4压溃试验本试验采用万能材料金属压缩

8、试验机进行，下压速度为1ram／rain，材料尺寸、数据如上文表述，压溃曲线如图4所示。图4压溃曲线在试验过程中，管体在下压距离为1．64mm左右出现了水平台阶，表示管体进入塑性变形阶段，这和ANSYS的计算结果是相近的，随着压溃的继续进行，管体逐渐变成椭圆形，当下压距离达到4．31mm时管体底部出现了一条比较明显的微222化工机械2013年裂纹，随后管体中轴线左右两侧出现微裂纹，但与底部微裂纹不同，此处微裂纹较