基于線彈性分析的擠壓三通披肩加強(qiáng)的有限元研究

郭 宏,王 飛,王國偉,雷勇剛

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

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基于線彈性分析的擠壓三通披肩加強(qiáng)的有限元研究

郭 宏,王 飛,王國偉,雷勇剛

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

采用ANSYS軟件中的線彈性分析方法,對多種跨越式分支的異徑擠壓三通采用披肩加強(qiáng)進(jìn)行了較為全面的應(yīng)力分析,揭示了跨越式分支的異徑擠壓三通采用披肩加強(qiáng)后應(yīng)力的影響因素及其變化規(guī)律,得出了運(yùn)用直埋熱水管道三通必須進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)的結(jié)論,為大口徑直埋供熱管道跨越式分支三通的披肩加強(qiáng)提供了科學(xué)依據(jù)。該計算結(jié)果可以直接用于直埋供熱管道工程設(shè)計、施工,填補(bǔ)了幾種管道跨越三通披肩加強(qiáng)的空白。

擠壓三通;披肩加強(qiáng);有限元;應(yīng)力

三通結(jié)構(gòu)是集中供熱管道系統(tǒng)的重要組成部分,運(yùn)行期間通常會受到內(nèi)水壓力、自重、外土荷載、溫度等多個因素的影響,整體受力和變形復(fù)雜,是管系中應(yīng)力集中程度較高的危險部位[1],其主要失效形式為由溫差引起的低循環(huán)疲勞破壞。三通能否正常運(yùn)行,決定了管系整體的安全性和穩(wěn)定性。CJJ/T81-2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》[2]中缺乏任何三通加強(qiáng)方式的敘述,而供熱直埋管道工程中跨越式分支非常普遍,三通加強(qiáng)無處不在。對于三通應(yīng)力分布規(guī)律雖然做了大量的研究[3-4],但是對三通加強(qiáng)方式除分析三通自身壁厚外[5-6],其他加強(qiáng)方式卻很少涉及。目前工程中三通加強(qiáng)方式無據(jù)可依,是直埋供熱管道工程最薄弱的環(huán)節(jié),給集中供熱安全運(yùn)行埋下了嚴(yán)重隱患。筆者選取了幾種管道規(guī)格的跨越式分支三通的披肩式加強(qiáng)方式,采用ANSYS分析軟件進(jìn)行了較為全面的應(yīng)力分析,以求揭示針對跨越式分支的異徑擠壓三通,采用披肩加強(qiáng)后應(yīng)力的影響因素及其變化規(guī)律,提供安全可靠的披肩加強(qiáng)方式,填補(bǔ)了跨越式分支三通披肩加強(qiáng)的空白。

1 擠壓三通有限元模型

1.1 模型的建立

采用的異徑擠壓三通,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,異徑擠壓三通模型尺寸以ASME B16.9-2012[7]為準(zhǔn),同時為避免約束和外載荷引起的邊緣效應(yīng),三通在主管側(cè)兩端各增加長度為3倍主管外徑的直管段[8]。三通支管采用跨越式分支連接結(jié)構(gòu)。先連接短管,然后連接壓制彎頭,彎頭后是支管,支管長度采用1.1Le(Le值是指用彈性抗彎鉸解析法對L型彎管進(jìn)行計算時的最小臂長)構(gòu)建跨越三通,如圖2所示;之后在跨越三通上加披肩加強(qiáng)環(huán),披肩示意圖如圖3所示。

圖1 壓制三通結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Extrude tee structure diagram

圖2 異徑擠壓跨越三通有限元模型Fig.2 Reducing extrusion cross tee finite element model

1.2 管道尺寸參數(shù)及材料特性

管道材料為理想的無限彈性體,彈性模量為1.96×105MPa,線膨脹系數(shù)為1.26×10-5℃-1,泊松比為0.3,設(shè)計壓力為2.5 MPa,循環(huán)最高溫度為130 ℃,安裝溫度為10 ℃,溫差為120 ℃.連接三通的主管、短管、彎頭和支管尺寸見表1,披肩尺寸如表2所示。

表1 連接三通的管道規(guī)格、尺寸一覽表

圖3 披肩示意圖Fig.3 Cape diagram

1.3 邊界條件

在三通結(jié)構(gòu)的主管接管兩端施加軸向固定約束,在三通支管端面施加固定約束,內(nèi)表面施加均布載荷p,管道與土壤的耦合作用通過彈簧-阻尼器單元來模擬,彈簧-阻尼器單元的綜合基床系數(shù)由保溫層和土壤特性確定。主管DN600,DN900,DN1200管道的綜合基床系數(shù)依次為1 015.073,1 318.332,1 625.574 kN/m[9],施加全部荷載進(jìn)行計算。

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性考核

本文只考慮三通處于錨固段的情況,整個模型采用三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元solid185,每個節(jié)點(diǎn)有3個沿著xyz方向平移的自由度,考慮到模型各部位形狀不規(guī)則以及應(yīng)力分布的復(fù)雜性,為保證模擬的準(zhǔn)確性,根據(jù)網(wǎng)格劃分“圣維南”理論[10],跨越分支三通整體劃分后,對三通主、支管相貫處區(qū)域進(jìn)行局部加密,局部計算網(wǎng)格劃分如圖4所示。為了保證計算的精度,又能提高計算效率,進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性考核,分別選取單元尺寸為6,5,4,3,2 mm對三通相貫部分進(jìn)行局部加密,來計算三通危險部位的最大等效應(yīng)力,計算結(jié)果如表3所示。通過比較,單元尺寸在3 mm時計算結(jié)果有較高的精度,出于節(jié)省資源和準(zhǔn)確性考慮,筆者采用對三通肩部、腹部局部加密到單元尺寸為3 mm進(jìn)行計算。

圖5 三通有限元分析模型Fig.5 Tee finite element analysis model

2 模擬結(jié)果與分析

由于三通各部位形狀不規(guī)則以及應(yīng)力分布的復(fù)雜性,為便于計算比較,在得到各點(diǎn)主應(yīng)力后,選取Mises當(dāng)量應(yīng)力(第四強(qiáng)度理論)來反映各點(diǎn)的應(yīng)力大小,通過對主管為DN600,DN900,DN1200等三通的有限元模擬,可以看出峰值應(yīng)力主要集中在三通腹部區(qū)域,因此,筆者將以腹部為代表，系統(tǒng)研究采用披肩加強(qiáng)后跨越三通的應(yīng)力大小及分布規(guī)律(分析路徑參見圖5,a、d點(diǎn)為三通支管端點(diǎn),c點(diǎn)為與三通相連接主管的端點(diǎn))。

1) 針對DN900/DN500跨越三通,圖6給出了沿支管方向def路徑的應(yīng)力變化圖;圖7給出了相貫線eb路徑的應(yīng)力變化圖;圖8給出了沿三通肩部過渡區(qū)abc路徑的應(yīng)力變化圖;(圖中DN900/DN500-6表示披肩厚度為6 mm的DN900/DN500跨越加強(qiáng)三通模型)

圖6 跨越三通軸向def路徑應(yīng)力分布Fig.6 Cross tee axial stress distribution def path

圖7 相貫線eb路徑的應(yīng)力分布Fig.7 Interfingering lines eb stress distribution of the path

由圖6、圖7可見,由于三通主支管相貫,三通的應(yīng)力在主支管連接處發(fā)生波動,產(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度,并在三通的肩部(b點(diǎn))和腹部(e點(diǎn))出現(xiàn)峰值應(yīng)力,隨著向兩側(cè)肩部的移動應(yīng)力值在逐漸減小。而且三通的腹部應(yīng)力比肩部應(yīng)力大的多,這個部位為壓制三通的危險部位;采用披肩加強(qiáng)后,三通腹部(e點(diǎn))的最大應(yīng)力明顯下降,且隨著披肩厚度的增加,最大應(yīng)力值減小越大,結(jié)構(gòu)的受力性能有了很大的改善。

圖8 跨越三通軸向abc路徑應(yīng)力分布Fig.8 Axial stress distribution abc path across the three links

由圖8可知,采用披肩加強(qiáng)后,三通的肩部(b點(diǎn))峰值應(yīng)力降低,披肩越厚最大峰值應(yīng)力越小;而三通支管a點(diǎn)由于三通披肩加強(qiáng),三通強(qiáng)度增加,抵抗來自于支管熱膨脹形成的扭矩作用的能力增加,所以在三通支管側(cè)(a點(diǎn))應(yīng)力有所增大。

2) 針對主管為DN1200,支管為DN900,DN800;主管為DN900,支管為DN600,DN500;主管為DN600,支管為DN350,DN300異徑擠壓三通構(gòu)成的跨越式三通,通過模擬五種披肩厚度加強(qiáng)方式,得到了應(yīng)力大小隨不同披肩厚度的變化規(guī)律,如圖9所示。

圖9 跨越三通隨披肩厚度變化的應(yīng)力分布規(guī)律Fig.9 Cross tee regularity of stress distribution changing with the thickness of the shawl

從圖9中可以看出采用披肩加強(qiáng)后,跨越式分支的異徑擠壓三通腹部區(qū)域峰值應(yīng)力降低,并隨著披肩厚度的增加三通的最大應(yīng)力不斷減小;對于同種規(guī)格主管,支管越小,采用披肩加強(qiáng)的效果越明顯,以上充分說明采用披肩加強(qiáng)可有效的改善腹部區(qū)域的應(yīng)力集中問題。

3) 為了探究肩部加強(qiáng)對于跨越三通的加強(qiáng)效果,在應(yīng)力最大點(diǎn)(e點(diǎn))周圍選取8個節(jié)點(diǎn)觀察腹部區(qū)域應(yīng)力變化規(guī)律,如圖10所示。

由圖11可以看出，當(dāng)采用披肩加強(qiáng)后,腹部區(qū)域的應(yīng)力峰值降低,高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力值隨著披肩厚度的增加相應(yīng)減小,高應(yīng)力區(qū)域縮小,結(jié)構(gòu)的受力性能得到明顯改善。

圖10 三通模型取點(diǎn)局部放大圖Fig.10 Tee model take local amplification figure

圖11 不同披肩厚度1-9號節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布Fig.11 Different thickness of cape 1-9 nodes stress distribution

3 結(jié)論

1) 常規(guī)供熱直埋熱水管道材料為Q235B低碳鋼,為理想的彈塑性材料。在正常冷安裝運(yùn)行時,由線彈性計算的最大峰值應(yīng)力遠(yuǎn)超過鋼材的屈服應(yīng)力,使三通局部進(jìn)入屈服階段,所以運(yùn)用直埋熱水管道三通必須進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)。

2) 壓制三通的腹部應(yīng)力集中程度最大,是進(jìn)行加固保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

3) 隨著披肩壁厚的增加,三通腹部區(qū)域應(yīng)力峰值降低,并且應(yīng)力集中區(qū)域整體應(yīng)力值下降,應(yīng)力集中區(qū)域縮小,故采用披肩加強(qiáng)能夠有效的改善腹部區(qū)域的應(yīng)力集中問題。

4) 當(dāng)主管管徑一定,支管規(guī)格越小,應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力值越低,采用披肩加強(qiáng)的效果越明顯。

5) 主管和支管都較小的三通,其應(yīng)力集中區(qū)域的平均應(yīng)力值小,故不同規(guī)格的三通,在滿足疲勞壽命的前提下,其披肩加強(qiáng)的壁厚不同。

6) 彌補(bǔ)了CJJ/T 81—2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》對于三通加強(qiáng)方式的不足,為大口徑直埋供熱管道三通的加強(qiáng)提供了理論支持,同時本文的計算結(jié)果可以為工程設(shè)計施工提供參考。

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(編輯：朱 倩)

The Finite Element Study of Stamped Tee Cape Strengthening Based on Linear Elastic Analysis

GUO Hong,WANG Fei,WANG Guowei,LEI Yonggang

(College of Environmental Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

The comprehensive stress analysis for a variety of extruded reducing tees with cape strengthening of spanning branch,by using linear elastic analysis method in ANSYS,reveals the influence factors of the stress of tee with cape strengthening and its change law, obtains the conclusion that the extruded tee using directly buried heating pipeline must be strengthened,and provides scientific basis for extruded reducing tees with cape strengthening of spanning branch in large diameter directly buried heating pipe.The calculation results can be directly used for directly buried heating pipeline engineering design and construction,thus filling the gaps of tee cape strengthening about several specifications.

stamped tee;cape strengthening;finite element;stress

1007-9432(2016)04-0532-04

2016-01-18

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目：城鎮(zhèn)集中供熱彈性彎曲直埋管道關(guān)鍵技術(shù)研究(2016-k4-079);博士后科學(xué)基金資助項目(2012M520606)

郭宏(1988-)，男，太原人，碩士生，主要從事供熱技術(shù)與節(jié)能方向的研究，(E-mail)916078113@qq.com

王飛，教授，主要從事供熱技術(shù)與節(jié)能方向的研究，(E-mail)wfwfsir@126.com

TU833.1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.019