基于Ansys Workbench的水壓壓力試驗(yàn)裝置的靜力學(xué)分析*

劉 源，雷澤勇，鐘 林，張清華，孟文東

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

地浸采鈾是一種于1958年提出的鈾資源開采技術(shù)，并得到了廣泛應(yīng)用[1]。根據(jù)地浸采鈾礦山的地質(zhì)環(huán)境，鉆孔平均深度為430 m[2]，浸出液深度約有300 m，在最低位處的水壓約為3 MPa,在地浸采鈾生產(chǎn)過程中，會(huì)將相關(guān)設(shè)備及元器件放入開采井中，因此在設(shè)備及元器件在放入開采井之前開展相關(guān)的耐水壓實(shí)驗(yàn)是十分有必要的。

水壓壓力試驗(yàn)裝置主要為各種設(shè)備及元器件提供水壓測(cè)試環(huán)境[3]，國內(nèi)、外對(duì)此也展開的了大量的研究工作，美國國家鍛造公司已具備生產(chǎn)100 MPa壓力罐的制造能力，我國的上海交通大學(xué)也研制出了可實(shí)現(xiàn)40 MPa環(huán)境壓力的試驗(yàn)裝置，其內(nèi)徑為1 m[4]。但是大多數(shù)水壓模擬裝置尺寸都較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有較高的要求。筆者針對(duì)地浸采鈾開采井生產(chǎn)中所需要的設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)一種小型的水壓壓力試驗(yàn)裝置，并利用Ansys Workbench對(duì)關(guān)鍵部件(壓力容器)進(jìn)行靜力學(xué)分析，確保壓力容器設(shè)計(jì)的可行性和安全性。

1 水壓壓力試驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 水壓壓力試驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu)

水壓壓力試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置主要由上法蘭蓋1、管法蘭2、設(shè)備連接座3、無縫鋼管4、壓力入口5。

圖1 水壓壓力試驗(yàn)裝置

1.2 水壓壓力試驗(yàn)裝置的工作原理

水壓壓力試驗(yàn)裝置先利用通過液壓管路將壓力傳遞至壓力入口1到達(dá)壓力容器內(nèi)部，使整個(gè)內(nèi)部環(huán)境壓力達(dá)到試驗(yàn)壓力，達(dá)到試驗(yàn)壓力后，壓力容器中的無縫鋼管4用來保持整個(gè)壓力容器的內(nèi)部壓力維持在試驗(yàn)壓力，因此承受內(nèi)壓。設(shè)備連接座3主要保護(hù)測(cè)試設(shè)備及元器件電氣接口處的密封性，鋼管內(nèi)部壓力必須與壓力容器中的壓力腔隔離，因此主要承受的外壓。

2 無縫鋼管參數(shù)的計(jì)算確定

2.1 內(nèi)壓無縫鋼管的參數(shù)的計(jì)算確定

由于無縫鋼管5主要承受內(nèi)壓屬于壓力容器，需按照GB/T150-2011《壓力容器》的要求來確定無縫鋼管5的規(guī)格參數(shù)。已知條件為：工作壓力P=3 MPa，鋼管外徑為Do=219 mm，長度為1 500 mm。無縫鋼管選擇流體運(yùn)輸用不銹鋼無縫鋼管(GB/T14976-2012)，材料牌號(hào)為06Cr19Ni10。該裝置的工作最大壓力P=3 MPa，取安全系數(shù)為1.3，得到設(shè)計(jì)壓力Pc=1.3×3=3.9MPa，取整后設(shè)計(jì)壓力Pc=4 MPa；由于地浸采鈾礦井的平均深度有430 m，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[5]，地下0～1 000 m范圍內(nèi)水的溫度在0～25 ℃，取試驗(yàn)工作溫度范圍為0～25 ℃，當(dāng)材料為06Cr19Ni10時(shí)，查文獻(xiàn)[6]得到該材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[σ]t=137 MPa，該無縫鋼管與法蘭蓋采用的焊接方式為單面焊對(duì)接焊，采用局部無損檢測(cè)，焊接接頭系數(shù)φ=0.8，則鋼管計(jì)算厚度δc為：

(1)

將數(shù)據(jù)代入公式(1)得到無縫鋼管的壁厚約為3.92 mm，向上取整為4 mm，加上鋼板的腐蝕余量C1=1.5 mm,則無縫鋼管的設(shè)計(jì)壁厚δd為：

δd=δc+C1=4+1.5=5.5 mm

(2)

由于鋼管在生產(chǎn)過程中會(huì)存在制造公差，按照GB/T14976-2012取負(fù)偏差C2=0.75 mm，選定無縫鋼管的名義厚度δ為7 mm，則得到的外壓無縫鋼管的規(guī)格參數(shù)如表1所列。

表1 無縫鋼管參數(shù) /mm

2.1 外壓無縫鋼管參數(shù)的校核計(jì)算

外壓無縫鋼管管內(nèi)放有耐壓水密連接器、設(shè)備電氣接口及電纜，由于內(nèi)部空間的限制，外壓無縫鋼管的規(guī)格參數(shù)如表2所示。

承受外壓的無縫鋼管的失效形式主要分為強(qiáng)度失效和失穩(wěn)，因此有必要對(duì)受外壓的無縫鋼管按照文獻(xiàn)[7]的方法進(jìn)行校核，首先判讀該外壓無縫鋼管是否為短圓筒；長度L若小于臨界長度Lc則為短圓筒否則為長圓筒。其臨界長度計(jì)算公式為:

(3)

表2 無縫鋼管參數(shù) /mm

其中鋼管外徑Do=42 mm，壁厚δ=5 mm，有效厚度δe等于壁厚減去腐蝕余量C1和制造負(fù)偏差C2，腐蝕余量C1取值為1.5，制造負(fù)偏差C2按照GB/T14976-2012的要求取值為0.625，則有效厚度δe=δ-C1-C2=5-1.5-0.625=2.875 mm，將數(shù)據(jù)代入公式(3)中得到Lc=187.82 mm，長度L=220 mm大于Lc，則該外壓無縫鋼管為長圓筒；確定為長圓筒后依照公式(4)判斷其是否為彈性失穩(wěn)。其滿足彈性失穩(wěn)的判定公式為：

(4)

其中設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為[σ]t=137 MPa，彈性模量E=204 000 MPa，將數(shù)據(jù)代入公式(4)后，其結(jié)果不滿足彈性失穩(wěn)的條件后按照GB150的圖算法對(duì)齊校核，求出其許用壓力值[P]。其許用壓力公式為：

(5)

外壓計(jì)算應(yīng)力系數(shù)B=147 MPa，求得許用壓力[P]=10.06 MPa大于實(shí)際試驗(yàn)壓力3 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 水壓壓力試驗(yàn)裝置關(guān)鍵零部件靜力學(xué)分析

水壓壓力試驗(yàn)裝置中，承受內(nèi)壓和外壓的無縫鋼管為關(guān)鍵零件，有必要對(duì)其進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，從而確保水壓壓力試驗(yàn)裝置的安全性和可行性。

3.1 有限元模型的簡化建立及參數(shù)的設(shè)定

通過SolidWorks建立受內(nèi)、外壓的壓力外殼的三維模型，對(duì)模型進(jìn)行了簡化處理，刪除了對(duì)分析影響不大的法蘭密封面及焊接接頭出的凸臺(tái)，模型簡化不僅能提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量提高分析結(jié)果還能提高求解速度[8]，將簡化好的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，壓力外殼選用的材料為304不銹鋼，其牌號(hào)為06Cr19Ni10，彈性模量為204 GPa，泊松比為0.285，密度為7 930 kg/m3，屈服強(qiáng)度為205 MPa，將其定義到Engineering Data中，調(diào)整好合適的網(wǎng)格大小后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 內(nèi)壓壓力外殼網(wǎng)格劃分 圖3 外壓壓力外殼網(wǎng)格劃分

3.2 添加載荷與約束條件

內(nèi)壓壓力外殼是無縫鋼管內(nèi)壁承受液壓加壓裝置提供的3 MPa壓力，外壓壓力外殼主要是縫鋼管外壁承受水壓產(chǎn)生的3 MPa壓力，使用SolidWorks建立內(nèi)、外壓壓力外殼的三維模型，對(duì)模型進(jìn)行了簡化處理，刪除了對(duì)分析影響不大的法蘭密封面及焊接接頭處的凸臺(tái)，模型簡化不僅能提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量提高分析結(jié)果還能提高求解速度[8]，將簡化好的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，分別對(duì)兩種壓力外殼的內(nèi)壁和外壁添加3 MPa的壓力載荷，對(duì)壓力外殼法蘭盤施加鏡像約束。

3.3 求解結(jié)果

用ANSYS Workbench進(jìn)行求解，得到內(nèi)外壓壓力外殼的等效應(yīng)力云圖和總變形圖，如圖4～7。

圖4 內(nèi)壓壓力外殼總形變圖 圖5 外壓壓力外殼總形變圖

圖6 內(nèi)壓壓力外殼等效應(yīng)力圖 圖7 外壓壓力外殼等效應(yīng)力圖

從圖4的內(nèi)壓壓力外殼總形變圖可以看出，由于在無縫鋼管底部焊接有法蘭盤，導(dǎo)致無縫鋼管的變形由底端到上端呈喇叭狀變形，最大變形量為0.08 mm，該變形量相對(duì)于整體的尺寸可忽略不計(jì)，結(jié)合圖6內(nèi)壓壓力外殼等效應(yīng)力圖來看，最大應(yīng)力也出現(xiàn)在上端管口處，與總變形圖的求解結(jié)果保持一致，最大應(yīng)力為52.355 MPa，低于該材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[σ]t=137 MPa。由圖5的外壓壓力外殼總形變圖可以看出，由于該處的無縫鋼管外壁承受3 MPa壓力，其變形為徑向壓縮且向兩端伸長，從圖7得到應(yīng)力云圖與圖5保持一致，外壓壓力外殼在3 MPa的環(huán)境壓力下的最大變形量為0.002 mm，可忽略不計(jì)，最大應(yīng)力為16.744 MPa,低于該材料許用應(yīng)力。

4 結(jié) 語

依照GB150《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)提供的設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)了內(nèi)壓壓力外殼，確定其材料、外形及壁厚等參數(shù)，對(duì)外壓壓力外殼的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，通過計(jì)算均滿足設(shè)計(jì)要求，利用SolidWorks三維軟件進(jìn)行建模，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力分布規(guī)律和總變形量，從而進(jìn)一步的應(yīng)證了該壓力外殼設(shè)計(jì)的合理性。通過理論設(shè)計(jì)結(jié)合有限元分析模擬結(jié)果的設(shè)計(jì)方法，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，免去了不必要的試驗(yàn)，減少了設(shè)計(jì)制造成本。