大型筋板加強(qiáng)Y形三通應(yīng)力分析

吳林　高宏坤

【摘要】應(yīng)用ANSYS軟件對一大型筋板加強(qiáng)Y形三通在內(nèi)壓作用下應(yīng)力分布情況進(jìn)行了計算和分析，得到了其應(yīng)力分布規(guī)律。簡述了使用有限元分析軟件進(jìn)行計算和分析的思路、基本步驟及應(yīng)力強(qiáng)度評定方法。同時對比了同等參數(shù)條件相同尺寸下無筋板加強(qiáng)Y形三通的應(yīng)力分布結(jié)果。結(jié)果表明采用筋板加強(qiáng)Y形三通可有效減少三通相貫線處的應(yīng)力集中，從而增強(qiáng)其整體承載內(nèi)壓的能力，提高該類三通在工程應(yīng)用中的安全可靠性。

【關(guān)鍵詞】筋板加強(qiáng)；Y形三通；應(yīng)力分析

1、前言

現(xiàn)有國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)成型三通，不論是國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T12459-2005）還是化工部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SH3408-2012）均為正交三通。在某項目工程設(shè)計中，由于工藝參數(shù)條件特殊，需在管道上設(shè)置一個大型Y形三通。三通在工程應(yīng)用中最常見的問題是主管與支管相貫處的連接焊縫開裂而引起泄漏[1]，經(jīng)各專業(yè)方案設(shè)計過程溝通協(xié)調(diào)，確定采用筋板加強(qiáng)Y形三通結(jié)構(gòu)，以減少相貫線焊縫處的應(yīng)力集中。為驗(yàn)證該三通的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的合理性，特進(jìn)行了有限元分析，以求得其在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布結(jié)果。同時，筆者對同等參數(shù)條件相同尺寸下無筋板加強(qiáng)Y形三通的應(yīng)力分布結(jié)果進(jìn)行了對比。

2、模型的建立及邊界條件設(shè)定

該三通主支管尺寸均為Ф1828×14mm，加強(qiáng)筋板厚50mm，筋板連接處選用圓鋼Ф150mm加強(qiáng)，材質(zhì)均為Q245R，彈性模量197GPa，泊松比μ=0.3，設(shè)計壓力0.6MPa，設(shè)計溫度為100℃，對應(yīng)設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度 Smt=147MPa。

采用ANSYS 12.1 Workbench有限元分析軟件進(jìn)行分析計算，在建模上考慮到結(jié)構(gòu)、外載及約束上的對稱性，取1/4模型進(jìn)行分析計算，在網(wǎng)格劃分上采用三維20節(jié)點(diǎn)六面體單元solid186，為確保計算結(jié)果的精確性，對整個模型網(wǎng)格采用映射劃分，并對三通相貫線部位的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。網(wǎng)格劃分情況見圖1。

該三通模型在應(yīng)力分析計算中，只考慮承受內(nèi)壓作用，不計外載、自重或疲勞振動等情況。設(shè)置邊界條件為：兩個剖切面上施加對稱約束（X、Y方向），在主管遠(yuǎn)端某一節(jié)點(diǎn)上約束Z向位移為0；在模型內(nèi)表面施加工作壓力0.6MPa，在主支管橫截面上施加軸向等效拉應(yīng)力19.1MPa[2]。

3、應(yīng)力分類及強(qiáng)度評定

三通屬于大開孔結(jié)構(gòu)，由計算得到的應(yīng)力云圖（圖2）可以看出：無筋板加強(qiáng)Y形三通最大應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)在三通腹部相貫線附近，而采用了筋板加強(qiáng)的Y形三通因?yàn)閳A鋼及筋板在腹部相貫線附近的加強(qiáng)作用，最大應(yīng)力集中點(diǎn)位于900角相貫線內(nèi)側(cè)。在工作條件下，最大應(yīng)力集中點(diǎn)處最有可能產(chǎn)生屈服。依據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的方法觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)中的一點(diǎn)或局部進(jìn)入塑性屈服并不一定導(dǎo)致破壞，各種應(yīng)力對其強(qiáng)度的影響各不相同，可按應(yīng)力性質(zhì)影響范圍及分布狀況將應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力并對不同類型應(yīng)力應(yīng)用不同的準(zhǔn)則來判別[3]。該三通所受載荷并非周期性載荷，因此可能產(chǎn)生破壞影響的是一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，而峰值應(yīng)力的影響可以不考慮，在評定時只需滿足兩項應(yīng)力限制條件即可。

在最大應(yīng)力點(diǎn)附近設(shè)置了多條從內(nèi)壁貫穿外壁的路徑對其進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，并分別選取一條典型路徑得到的局部薄膜應(yīng)力SⅡ以及薄膜加彎曲應(yīng)力SⅣ結(jié)果見圖3，圖4。可以看出：薄膜加彎曲應(yīng)力SⅣ均在內(nèi)壁出現(xiàn)最大值，在筋板加強(qiáng)Y形三通相貫線處，局部薄膜應(yīng)力SⅡ=97.6MPa小于其強(qiáng)度許用極限1.5stm=220.5MPa；薄膜加彎曲應(yīng)力SⅣ=107.8MPa小于其強(qiáng)度許用極限3.0stm=441MPa，均滿足強(qiáng)度要求可評定合格。而在無筋板加強(qiáng)Y形三通相貫線處，局部薄膜應(yīng)力SⅡ=478MPa；薄膜加彎曲應(yīng)力SⅣ=612MPa；均不能滿足強(qiáng)度要求。對比可見采用筋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可有效減少Y形三通相貫線處約80%應(yīng)力強(qiáng)度值，從而增強(qiáng)其整體承載內(nèi)壓的能力。

4、結(jié)論

通過對比上述兩種應(yīng)力分析結(jié)果可見：采用筋板加強(qiáng)Y形三通可有效減少三通相貫線處的應(yīng)力集中，從而增強(qiáng)其整體承載內(nèi)壓的能力，提高其在工程應(yīng)用中的安全可靠性，為該類三通的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考示例。

參考文獻(xiàn)

[1]方小里等.電站輔機(jī)[J].2014，35（1）：27-29.

[2]李建國.壓力容器設(shè)計的力學(xué)基礎(chǔ)及其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：103-136.

[3]JB 4732-1995.鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）[S].

作者簡介

吳林（1982-），男，漢族，2002年取得中國石油大學(xué)焊接工藝及設(shè)備專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2006年取得中國石油大學(xué)材料學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，2006年開始在長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司設(shè)備室從事壓力容器設(shè)計及有限元分析計算工作，工程師，已發(fā)表論文2篇。