液壓脹管技術(shù)模擬研究

胡其軍,高 明

(萊歇研磨機械制造(上海)有限公司技術(shù)質(zhì)檢部,上海 200941)

0 前 言

模擬研究采用的軟件為ANSYS分析軟件,軟件分析過程主要分為建模、求解過程和后處理階段三個過程。

液壓脹管技術(shù)可用于核電蒸汽發(fā)生器、管式換熱器的換熱和冷凝設(shè)備中一次側(cè)和二次側(cè)之間介質(zhì)之間換熱設(shè)備,掌握關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),具有工作效率高、殘余應(yīng)力小等特點。

1 理論基礎(chǔ)

脹管過程可分為以下三個步驟。

1)管子內(nèi)壁加載至與管板孔內(nèi)壁接觸。

2)持續(xù)加載直至需求脹管量。

3)卸載直至液壓脹管壓力消除。

脹管后管子產(chǎn)生塑性變形,而管板則處于彈性變形。卸載后由于管板孔回彈將管子壓縮而形成脹管接頭。由于脹管時管子產(chǎn)生塑性變形,計算時采用彈塑性變形和接觸分析等有限元方法。

分析過程進行必要的簡化和假設(shè)等近似處理,如材料處于理想狀態(tài)、脹管壓力分布均勻、進行單孔脹管分析時,相鄰脹管對它的影響忽略、不考慮脹管過程中熱對管板和管子的影響等。

而在強度理論計算方面：在脹管過程中,管子管板都處于三向應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)用Von Miss強度理論進行分析,對屈服破壞原因所做的假設(shè)是：不論在何種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下,只要構(gòu)件內(nèi)一點處的開關(guān)改變比能達到材料的極限值,該點處的材料就會發(fā)生屈服破壞?？紤]安全系數(shù)以后的強度條件是：

式中，σ1、σ2、σ3為三個主應(yīng)力。

2 建模階段

前處理階段主要進行單元類型及選項的設(shè)置、實常數(shù)添加、設(shè)置、材料屬性的設(shè)置、建立有限元模型、劃分網(wǎng)格、建立接觸對。

脹管過程定義為面與面的接觸單元,實常數(shù)添加階段定義了接觸剛度因子,最大滲透范圍,初始靠近因子等；材料屬性設(shè)置時定義了管子的線彈性模量,管板的線彈性模量,管子的塑性變形屬性,管子管板的摩擦系數(shù),管子管板的密度等屬性。

用于分析脹管過程分單孔模型和七孔模型。單孔模型是將脹接簡化為兩同心厚壁圓筒,用外層圓筒即等效套筒來代替管板,脹接時脹接壓力均勻地作用于內(nèi)層圓筒即管子內(nèi)壁上。

本分析案例中管孔三角形排列,分析時最常用的是七孔模型。由于其是軸對稱結(jié)構(gòu),在分析單孔脹管的應(yīng)力變化時,取其1/12來進行,分析完成以后,利用ANSYS的CYCLIC命令將其進行恢復(fù)即可。

由于對整個管子和管板進行分析需要耗費大量的資源,模型元素太多,劃分網(wǎng)格也十分復(fù)雜使求解過程難以完成。根據(jù)對稱的基本原理,在進行ANSYS分析的過程中將模型4等分,只計算模型的1/4,這樣減少了工作量,而且模型的邊界條件施加、網(wǎng)格劃分、求解過程都更加簡單、有效。

3 求解過程

1)求解方案：對面面接觸問題不能使用自動下降因子,對求解問題不會提供幫助；設(shè)置合理平衡迭代次數(shù),通常為24～49；打開時間步長預(yù)測器選項,以利于收斂；并設(shè)置結(jié)果輸出選項。

2)施加邊界條件和載荷：在脹管過程中,要施加載荷是脹管壓力。需要考慮加載和卸載兩個載荷步。在施加載荷時,要考慮脹接工具的位置,在本例中,對于管子管板接頭型式,脹管長度：790 mm；始脹位置：11.5 mm；未脹位置：0～6.35 mm。

4 后處理階段

在模型脹接的ANSYS模擬過程中,需要完成兩個任務(wù)：一個是計算管板孔與管子外徑間隙大小對脹管壓力的影響；另一個是計算脹管壓力與拔脫力及殘余應(yīng)力的關(guān)系。

模擬管子與管板之間的間隙對脹管的影響。在建模過程中分別建立間隙為0.204、0.126、0.056 mm單孔模型和七孔模型。然后在管子內(nèi)表面施加260～280 MPa壓力,觀察殘余接觸壓力值,分析不同的間隙對殘余接觸應(yīng)力的影響。

脹管壓力對拔脫力和殘余應(yīng)力的影響。取間隙0.204 mm的模型進行分析求解。當施加一固定脹管壓力時,包括加壓和卸載兩個過程。卸載完成后,記錄管子與管板的殘余應(yīng)力值,管子內(nèi)表面的位移值,管子與管板間的接觸壓力值,并通過計算求解拉脫力值。

4.1 保壓時間分析

根據(jù)ANSYS分析所得數(shù)據(jù)繪制七管模型在不同脹管力下接觸壓力與保壓時間關(guān)系曲線見圖1。

(a)七管模型：0.125 mm,260 MPa

(b)七管模型：0.125 mm,270 MPa

(c)七管模型：0.125 mm,280 MPa

由圖1可以得出：在保壓時間由4 s增加到6 s或8 s的過程中,殘余接觸壓力增大較為明顯,從8 s或6 s到10 s之間存在一個殘余接觸壓力平衡點,通過該平衡點后殘余接觸壓力基本保持不變甚至出現(xiàn)下降。

所以保壓時間選取6 s和8 s較為合適,4 s的保壓時間較短不能使殘余接觸壓力充分增加,10 s保壓時間太長,殘余接觸壓力增加效果不明顯甚至?xí)箽堄嘟佑|壓力下降。

4.2 接觸壓力隨脹管壓力的變化

根據(jù)ANSYS分析所得到的數(shù)據(jù)繪制了不同脹管壓力下接觸壓力的變化曲線見圖2。

圖2 脹管壓力-接觸壓力關(guān)系

七管模型保壓時間6 s的情況下脹管壓力不同對接觸壓力的影響。由圖2可以得出：對于七管模型來說,殘余接觸壓力在260～270 MPa范圍內(nèi)隨脹管壓力的增大而增大,但當脹管壓力超過了270 MPa以后,殘余接觸壓力出現(xiàn)了下降趨勢,這說明對于七管模型當脹管壓力達到270 MPa左右時,殘余接觸壓力會達到最大值。

5 模型間隙對殘余接觸壓力的影響

根據(jù)ANSYS分析所得到的數(shù)據(jù)可知：在保壓時間為6 s的固定條件下,當模型間隙為0.205 mm,加載至50 MPa時所得到的拔脫力計算結(jié)果遠遠大于所需要的拔脫力標準10 kN。當模型間隙為0.125 mm時,對七孔模型加載至95 MPa左右時達到拔脫力標準10 kN。當模型間隙為0.055 mm時,對七孔模型來說10 kN的拔脫力標準值出現(xiàn)在加載至170 MPa左右時。在選擇脹接壓力時,要綜合考慮實際生產(chǎn)過程的安全系數(shù)、拔脫力標準、模型間隙等因素。綜合上述因素,若要使殘余接觸壓力值正好滿足拔脫力標準,分析認為選取脹接壓力為200 MPa左右較為合適。

根據(jù)ANSYS的分析計算結(jié)果可知：模型間隙對殘余接觸壓力具有很大影響,間隙為0.205 mm時殘余接觸壓力最大,間隙為0.125 mm時殘余接觸壓力較大,模型間隙為0.055 mm時殘余接觸壓力最小。在相同脹管壓力保壓時間也相同的情況下,殘余接觸壓力隨模型間隙的增大而增大。這與模型間隙越大,塑性變形越大是相符合的。

當間隙為0.205 mm時,無論保壓時間是6 s、8 s還是10 s,脹管壓力即使為最小的50 MPa,殘余接觸壓力值仍然遠遠高于標準值2.28 MPa。當間隙為0.125 mm時,保壓時間在8～10 s,當脹管壓力為95 MPa左右時,殘余接觸壓力值達到標準值2.28 MPa。當間隙為0.055 mm時,加載至50 MPa時殘余接觸壓力值已經(jīng)低于標準值2.28 MPa,臨界值出現(xiàn)在大約170 MPa左右。

由曲線的走勢可以看到在相同條件下,當脹管壓力加載至270 MPa左右時殘余接觸壓力值變化曲線出現(xiàn)了波動或者基本保持不變,也就是說在脹管壓力為270 MPa左右,殘余接觸壓力值會傾向于平衡。而在脹管壓力50～270 MPa的范圍內(nèi)殘余接觸壓力值變化比較明顯,可以根據(jù)實際工作的安全系數(shù)來選擇殘余接觸壓力值,從而進一步選擇脹管壓力值。

綜合所有曲線的結(jié)果,在脹管壓力為200 MPa時,殘余接觸壓力值完全可以滿足拔脫力標準。如果需要使殘余接觸壓力值盡量大,應(yīng)當選擇脹接壓力值為270 MPa左右。

6 結(jié) 論

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果,當脹管壓力在200 MPa時,參與接觸壓力值能夠滿足拔脫力要求,但要使殘余接觸壓力盡量大,選取脹管壓力270 MPa左右為最佳。對于保壓時間的選取,數(shù)值計算的結(jié)果建議保壓時間選取7 s左右較為合適。

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