常見問題
彎管應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)
更新時(shí)間??2021-11-20 08:34 閱讀
彎管廣泛應(yīng)用于鍋爐、石油化工、航空航天等各種壓力容 器中，是管道系統(tǒng)的重要組成部分。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，管道 的安全應(yīng)用越來越受到工程界的重視，而作為管道系統(tǒng)的重要 構(gòu)件，彎管的研究也受到越來越多的關(guān)注。彎管的形狀和結(jié)構(gòu) 形式比較復(fù)雜，而且工程中使用的彎管受力復(fù)雜，對(duì)彎管進(jìn)行 準(zhǔn)確的力學(xué)分析是進(jìn)行彎管設(shè)計(jì)制造和結(jié)構(gòu)可靠性分析的重 要前提。
彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，管徑的大小由流體的流量和允許的壓 力降確定，壁厚與彎管承受的內(nèi)壓和彎管的材料及工作溫度有 關(guān)，彎管的彎曲度一般由經(jīng)驗(yàn)確定。在對(duì)彎管力學(xué)分析中，傳統(tǒng) 的分析方法都做出了一定的簡(jiǎn)化假設(shè)，與彎管的實(shí)際工作狀態(tài) 存在一定的出入。流體流經(jīng)彎管時(shí)的不均勻性；流體的流速；彎 管的彎曲度；管徑；彎管加工缺陷產(chǎn)生的橢圓度，這些因素對(duì)彎 管的受力是否存在影響，一直沒有進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究。
流體流經(jīng)彎管時(shí)，彎管內(nèi)壁與流體相互作用，內(nèi)壁的應(yīng)力 應(yīng)與流體一致。本文做為省科委課題的一個(gè)分支，從流體動(dòng)力 學(xué)出發(fā)，對(duì)彎管內(nèi)流體的應(yīng)力、流速、壓力進(jìn)行了分析研究，并 由來自流體的壓力計(jì)算了彎管的應(yīng)力分布，討論了彎管結(jié)構(gòu)參 數(shù)：管徑、彎曲度、橢圓度以及管內(nèi)流體的設(shè)計(jì)壓力、流速對(duì)彎 管受力的影響。為彎管的設(shè)計(jì)、制造、強(qiáng)度分析和工程應(yīng)用提供 了理論保證。
彎管內(nèi)流體的壓力和彎管應(yīng)力計(jì)算 彎管內(nèi)流體的流動(dòng)一般為湍流，是一種定常流，其壓力采用 k一8方程。用有限元法進(jìn)行計(jì)算，并由流體的壓力進(jìn)而計(jì)算彎 管的應(yīng)力分布。為滿足工程設(shè)計(jì)復(fù)雜化、多樣化的需要，采用商 業(yè)有限元軟件ANSYS，并以此為計(jì)算平臺(tái)，編寫差分計(jì)算機(jī)程 序并嵌入ANSYS進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這樣即使彎管結(jié)構(gòu)變化，程序 都能使用，且可方便的進(jìn)行后處理。計(jì) 算程序框圖見圖2所示
對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以有限元模型采用軸對(duì)稱 單元，在ANSYS建立結(jié)構(gòu)的有限元模 型時(shí)，將計(jì)算過程中所有的參數(shù)均設(shè)計(jì) 為變量形式，計(jì)算過程中根據(jù)實(shí)際問題 再輸入其確定值。從而形成確定的計(jì)算 模型；根據(jù)入口流速、出入口的壓力，計(jì) 算流體在管內(nèi)壁處的流體壓力，流體在 管壁處采取無滑移流動(dòng)；最后由來自流 體作用在彎管內(nèi)壁上的壓力計(jì)算彎的應(yīng)力。 由圖3．4可見，流體流經(jīng)彎管時(shí)，流體作用在彎管內(nèi)壁上的 壓力分布是不均勻的，彎管內(nèi)壁外側(cè)入口附近所受壓力較大，而 內(nèi)壁附近出口內(nèi)側(cè)相對(duì)較小，而且隨著流體速度的增大，內(nèi)外壁 的壓力差相對(duì)增大，但速度變化對(duì)流體壓力分布影響不大。由 此可見。過去對(duì)彎管強(qiáng)度分析時(shí)，將彎管內(nèi)壁所受壓力視為均勻 分布，且不考慮速度影響，是存在誤差的。通過有限元法對(duì)流體 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，由來自流體的壓力研究彎管的應(yīng)力特性是有 必要的。
為彎管為不同管徑時(shí)的應(yīng)力分布。由圖可看出。在其它 參數(shù)相同時(shí)，彎管管徑增大，應(yīng)力隨之增大，所以在相同條件下， 管徑增大，所需壁厚增加，以滿足彎管強(qiáng)度的需要。
為彎管橢圓度對(duì)彎管應(yīng)力的影響，在彎管的成形 過程中，由于不可避免的存在著加工缺陷，工程中使用的彎管常 存在一定的橢圓度等加工缺陷，隨著橢圓度的增大，彎管應(yīng)力相 對(duì)增大，且應(yīng)力分布也隨之變化，無橢圓度的彎管應(yīng)力最大出現(xiàn) 在彎管內(nèi)壁內(nèi)側(cè)，雖橢圓度增大，其逐漸向中型面附近轉(zhuǎn)移。因 此應(yīng)限制彎管的橢圓度，以保證彎管的強(qiáng)度，我國將彎管橢圓度 控制在7％以內(nèi)。
以上通過對(duì)彎管的流體進(jìn)行分析，計(jì)算了彎管內(nèi)流體的粘 性應(yīng)力，并得出彎管的粘性應(yīng)力相對(duì)壓力較??；并通過流體動(dòng)力 學(xué)分析，得出了彎管內(nèi)流體的壓力分布，利用ANSYS軟件，作為 計(jì)算平臺(tái)，通過來自流體的壓力實(shí)現(xiàn)了對(duì)彎管應(yīng)力的研究，并就 彎管和流體參數(shù)對(duì)彎管應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析探討，可為彎管 的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。
彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，管徑的大小由流體的流量和允許的壓 力降確定，壁厚與彎管承受的內(nèi)壓和彎管的材料及工作溫度有 關(guān)，彎管的彎曲度一般由經(jīng)驗(yàn)確定。在對(duì)彎管力學(xué)分析中，傳統(tǒng) 的分析方法都做出了一定的簡(jiǎn)化假設(shè)，與彎管的實(shí)際工作狀態(tài) 存在一定的出入。流體流經(jīng)彎管時(shí)的不均勻性；流體的流速；彎 管的彎曲度；管徑；彎管加工缺陷產(chǎn)生的橢圓度，這些因素對(duì)彎 管的受力是否存在影響，一直沒有進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究。
流體流經(jīng)彎管時(shí)，彎管內(nèi)壁與流體相互作用，內(nèi)壁的應(yīng)力 應(yīng)與流體一致。本文做為省科委課題的一個(gè)分支，從流體動(dòng)力 學(xué)出發(fā)，對(duì)彎管內(nèi)流體的應(yīng)力、流速、壓力進(jìn)行了分析研究，并 由來自流體的壓力計(jì)算了彎管的應(yīng)力分布，討論了彎管結(jié)構(gòu)參 數(shù)：管徑、彎曲度、橢圓度以及管內(nèi)流體的設(shè)計(jì)壓力、流速對(duì)彎 管受力的影響。為彎管的設(shè)計(jì)、制造、強(qiáng)度分析和工程應(yīng)用提供 了理論保證。
彎管內(nèi)流體的壓力和彎管應(yīng)力計(jì)算 彎管內(nèi)流體的流動(dòng)一般為湍流，是一種定常流，其壓力采用 k一8方程。用有限元法進(jìn)行計(jì)算，并由流體的壓力進(jìn)而計(jì)算彎 管的應(yīng)力分布。為滿足工程設(shè)計(jì)復(fù)雜化、多樣化的需要，采用商 業(yè)有限元軟件ANSYS，并以此為計(jì)算平臺(tái)，編寫差分計(jì)算機(jī)程 序并嵌入ANSYS進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這樣即使彎管結(jié)構(gòu)變化，程序 都能使用，且可方便的進(jìn)行后處理。計(jì) 算程序框圖見圖2所示
對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以有限元模型采用軸對(duì)稱 單元，在ANSYS建立結(jié)構(gòu)的有限元模 型時(shí)，將計(jì)算過程中所有的參數(shù)均設(shè)計(jì) 為變量形式，計(jì)算過程中根據(jù)實(shí)際問題 再輸入其確定值。從而形成確定的計(jì)算 模型；根據(jù)入口流速、出入口的壓力，計(jì) 算流體在管內(nèi)壁處的流體壓力，流體在 管壁處采取無滑移流動(dòng)；最后由來自流 體作用在彎管內(nèi)壁上的壓力計(jì)算彎的應(yīng)力。 由圖3．4可見，流體流經(jīng)彎管時(shí)，流體作用在彎管內(nèi)壁上的 壓力分布是不均勻的，彎管內(nèi)壁外側(cè)入口附近所受壓力較大，而 內(nèi)壁附近出口內(nèi)側(cè)相對(duì)較小，而且隨著流體速度的增大，內(nèi)外壁 的壓力差相對(duì)增大，但速度變化對(duì)流體壓力分布影響不大。由 此可見。過去對(duì)彎管強(qiáng)度分析時(shí)，將彎管內(nèi)壁所受壓力視為均勻 分布，且不考慮速度影響，是存在誤差的。通過有限元法對(duì)流體 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，由來自流體的壓力研究彎管的應(yīng)力特性是有 必要的。
為彎管為不同管徑時(shí)的應(yīng)力分布。由圖可看出。在其它 參數(shù)相同時(shí)，彎管管徑增大，應(yīng)力隨之增大，所以在相同條件下， 管徑增大，所需壁厚增加，以滿足彎管強(qiáng)度的需要。
為彎管橢圓度對(duì)彎管應(yīng)力的影響，在彎管的成形 過程中，由于不可避免的存在著加工缺陷，工程中使用的彎管常 存在一定的橢圓度等加工缺陷，隨著橢圓度的增大，彎管應(yīng)力相 對(duì)增大，且應(yīng)力分布也隨之變化，無橢圓度的彎管應(yīng)力最大出現(xiàn) 在彎管內(nèi)壁內(nèi)側(cè)，雖橢圓度增大，其逐漸向中型面附近轉(zhuǎn)移。因 此應(yīng)限制彎管的橢圓度，以保證彎管的強(qiáng)度，我國將彎管橢圓度 控制在7％以內(nèi)。
以上通過對(duì)彎管的流體進(jìn)行分析，計(jì)算了彎管內(nèi)流體的粘 性應(yīng)力，并得出彎管的粘性應(yīng)力相對(duì)壓力較??；并通過流體動(dòng)力 學(xué)分析，得出了彎管內(nèi)流體的壓力分布，利用ANSYS軟件，作為 計(jì)算平臺(tái)，通過來自流體的壓力實(shí)現(xiàn)了對(duì)彎管應(yīng)力的研究，并就 彎管和流體參數(shù)對(duì)彎管應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析探討，可為彎管 的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。
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