有限元法在化工管道應力分析中的應用探討

張鴻達（北京華福工程有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430223）

有限元法在化工管道應力分析中的應用探討

張鴻達（北京華福工程有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430223）

隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，在各類物料運輸?shù)沫h(huán)節(jié)中，化工管道得到了廣泛的應用。本文通過分析有限元法應用在華工管道應力的分析中，在一定程度上完善了化工管道的質(zhì)量。

化工管道；有限元法；應力分析

在進行化工管道焊接的環(huán)節(jié)中，通常情況下都是采用熔化焊接的方式，在對木材和旱材進行高溫處理后，會產(chǎn)生熔池，熔池在冷卻后，會產(chǎn)生結晶，使原子和原子之間結合氣啦，管道在高溫的條件下會產(chǎn)生大量的殘余應力，在受到一定的束縛后，管道不能產(chǎn)生形變，因此管道的應力也不能很好的得到釋放，但是管道如果發(fā)生了屈曲后，就會直接導致破壞的產(chǎn)生。管到的泄露會導致環(huán)境的污染，也會產(chǎn)生嚴重的資源浪費的情況。隨著計算機技術的廣泛應用，有限元法得到了應用，采用有限元法分析化工管道焊接接頭殘余應力意義重大。

1 化工管道

1.1 化工管道的特點

在化工行業(yè)，化工管道得到廣泛的應用，在石油和天然氣的運輸中，管道的用途廣泛。管道根據(jù)用途的不同，也被分成不同的類型，現(xiàn)在，不同的化工管道都是采用焊接的技術制作。然是管道在焊接的環(huán)節(jié)中，由于加熱不均勻，或者冷卻方式不對，就會導致管道出現(xiàn)熱脹冷縮的問題，在管道的內(nèi)部會產(chǎn)生很大的殘余應力，其對管道的強度和剛度產(chǎn)生很大的影響，也會導致管道的穩(wěn)定性的下降，長時間會導致管道產(chǎn)生嚴重的變形的問題。

1.2 化工管道的設計優(yōu)化

早在二十世紀五十年代，當時就采用最優(yōu)化的數(shù)學方法進行應力的分析，結合了各類線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃的問題。在進行機械設計的環(huán)節(jié)中，應該采用優(yōu)化設計的方式，在一定的工作條件下，要對機械的性能和尺寸進行設計，還要分析外界環(huán)境對機械運行的影響，從而達到設計的目的。在進行變量選取的環(huán)節(jié)中，應該通過對自變量和因變量的分析，建立起目標函數(shù)，從而獲得最佳值。在進行變量和目標函數(shù)設計的環(huán)節(jié)中，完善空間設計。

近年來，隨著電子計算機技術的高速發(fā)展，機械設計領域?qū)崿F(xiàn)了高速的變革，計算機輔助設計等技術得到了廣泛的應用，有限元法已經(jīng)形成了一個獨立的學科?；どa(chǎn)的過程非常的復雜，化工機械是一類常見的機械設備，在設計的環(huán)節(jié)中，除了要遵循機械設計的共性特征，而且還要分析設計的特殊性，在設計的過程中，要面對不同的參數(shù)，其難度非常大。

2 有限元法

2.1 有限元法的簡介

有限元法在實際的應用中，主要是采用有限元分析的方式，可以對偏微方程進行求解，是一類常見的數(shù)值方法。近年來，大量的研究針對優(yōu)先單元，這種方法逐漸的被工業(yè)領域接受。有限元法主要采用了變分原理和加權余量的方法，將一個結構分成不同的組合體，將這些組合體分成不同的單元，科學的選擇節(jié)點，從而可以建立函數(shù)，將微分方程中的變量轉(zhuǎn)化成各個變量和其他的倒數(shù)的節(jié)點值，從而運用函數(shù)的方式進行線性表達，通過加權余量的方式，對方程進行離散求解。在對各項權重進行分析的環(huán)節(jié)中，應該采用權函數(shù)和插值函數(shù)結合的方式，從而形成科學的有限元的方法。由于有限元法的通用性非常強，其在工程領域的應用非常的廣泛，如今，計算機技術實現(xiàn)了高速的發(fā)展，有限元法成為計算機輔助技術的重要代表，在數(shù)值的仿真中發(fā)揮的作用非常的明顯。

2.2 在化工管道中采用有限元法

如今，有限元法在化工管道中的應用非常的廣泛，可以對化工管道所承受的應力進行分析，在化工管道應用的環(huán)節(jié)中，進行熱分析，并且對化工管道起到良好的保護的效果，進行管道的漏磁檢測。

在一些化工行業(yè)起步比較早的發(fā)達國家，很多化工企業(yè)都采用科學的實驗數(shù)據(jù)的方式，采用實驗的方式對相關的理論進行分析，而且形成了非常全面的數(shù)據(jù)，設計規(guī)范也非常的全面。在化工管道的檢測中，主要結合了溫度場、剛度、強度的分析，提高了化工管道的抗腐蝕能力，結合了漏磁檢測。

近年來，我國也對化工管道進行了研究，大量的研究工作取得新的進展。采用有限元法對化工管道進行保護，運用軟件對化工管道的保溫過程進行熱分析，從而在化工管道保溫的環(huán)節(jié)中，可以防止各類損失的產(chǎn)生。采用有限元法對化工管道承受的壓力進行分析，分析小尺寸的缺陷對管道應力產(chǎn)生的影響，從而找到規(guī)律。對管道的熱應力進行有限元的分析，從而使應力的分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。還能對管道的腐蝕情況進行分析，防止大量的腐蝕問題產(chǎn)生。由于受到計算機軟件和相關技術的限制，化工管道在制作中同樣會受到材料的影響，應該采用有限元法，對管道的設計和制作進行優(yōu)化。

2.3 化工管道的有限元分析流程

首先要建立模型，建立起管道模型和焊縫的模型，其次要進行溫度場和應力場的分析，并且劃分單元，增加束縛和荷載，最后求解，從而得到溫度和殘余應力的分布情況，找到最佳的解決方案。

3 結語

隨著科學技術的應用和發(fā)展，在設計中不能只采用線性理論。有限元法如今發(fā)展迅速，在設計中得到廣泛的應用，很多化工產(chǎn)品的設計都采用有限元法，這項技術可以提高化工產(chǎn)品的生產(chǎn)率，效果非常好。

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