基于线弹性分析的挤压三通披肩加强的有限元研究

郭 宏,王 飞,王国伟,雷勇刚

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)



基于线弹性分析的挤压三通披肩加强的有限元研究

郭 宏,王 飞,王国伟,雷勇刚

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)

采用ANSYS软件中的线弹性分析方法,对多种跨越式分支的异径挤压三通采用披肩加强进行了较为全面的应力分析,揭示了跨越式分支的异径挤压三通采用披肩加强后应力的影响因素及其变化规律,得出了运用直埋热水管道三通必须进行加强保护的结论,为大口径直埋供热管道跨越式分支三通的披肩加强提供了科学依据。该计算结果可以直接用于直埋供热管道工程设计、施工,填补了几种管道跨越三通披肩加强的空白。

挤压三通;披肩加强;有限元;应力

三通结构是集中供热管道系统的重要组成部分,运行期间通常会受到内水压力、自重、外土荷载、温度等多个因素的影响,整体受力和变形复杂,是管系中应力集中程度较高的危险部位[1],其主要失效形式为由温差引起的低循环疲劳破坏。三通能否正常运行,决定了管系整体的安全性和稳定性。CJJ/T81-2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》[2]中缺乏任何三通加强方式的叙述,而供热直埋管道工程中跨越式分支非常普遍,三通加强无处不在。对于三通应力分布规律虽然做了大量的研究[3-4],但是对三通加强方式除分析三通自身壁厚外[5-6],其他加强方式却很少涉及。目前工程中三通加强方式无据可依,是直埋供热管道工程最薄弱的环节,给集中供热安全运行埋下了严重隐患。笔者选取了几种管道规格的跨越式分支三通的披肩式加强方式,采用ANSYS分析软件进行了较为全面的应力分析,以求揭示针对跨越式分支的异径挤压三通,采用披肩加强后应力的影响因素及其变化规律,提供安全可靠的披肩加强方式,填补了跨越式分支三通披肩加强的空白。

1 挤压三通有限元模型

1.1 模型的建立

采用的异径挤压三通,结构示意图如图1所示,异径挤压三通模型尺寸以ASME B16.9-2012[7]为准,同时为避免约束和外载荷引起的边缘效应,三通在主管侧两端各增加长度为3倍主管外径的直管段[8]。三通支管采用跨越式分支连接结构。先连接短管,然后连接压制弯头,弯头后是支管,支管长度采用1.1Le(Le值是指用弹性抗弯铰解析法对L型弯管进行计算时的最小臂长)构建跨越三通,如图2所示;之后在跨越三通上加披肩加强环,披肩示意图如图3所示。

图1 压制三通结构示意图Fig.1 Extrude tee structure diagram

图2 异径挤压跨越三通有限元模型Fig.2 Reducing extrusion cross tee finite element model

1.2 管道尺寸参数及材料特性

管道材料为理想的无限弹性体,弹性模量为1.96×105MPa,线膨胀系数为1.26×10-5℃-1,泊松比为0.3,设计压力为2.5 MPa,循环最高温度为130 ℃,安装温度为10 ℃,温差为120 ℃.连接三通的主管、短管、弯头和支管尺寸见表1,披肩尺寸如表2所示。

表1 连接三通的管道规格、尺寸一览表

图3 披肩示意图Fig.3 Cape diagram

1.3 边界条件

在三通结构的主管接管两端施加轴向固定约束,在三通支管端面施加固定约束,内表面施加均布载荷p,管道与土壤的耦合作用通过弹簧-阻尼器单元来模拟,弹簧-阻尼器单元的综合基床系数由保温层和土壤特性确定。主管DN600,DN900,DN1200管道的综合基床系数依次为1 015.073,1 318.332,1 625.574 kN/m[9],施加全部荷载进行计算。

1.4 网格独立性考核

本文只考虑三通处于锚固段的情况,整个模型采用三维8节点实体单元solid185,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度,考虑到模型各部位形状不规则以及应力分布的复杂性,为保证模拟的准确性,根据网格划分“圣维南”理论[10],跨越分支三通整体划分后,对三通主、支管相贯处区域进行局部加密,局部计算网格划分如图4所示。为了保证计算的精度,又能提高计算效率,进行了网格独立性考核,分别选取单元尺寸为6,5,4,3,2 mm对三通相贯部分进行局部加密,来计算三通危险部位的最大等效应力,计算结果如表3所示。通过比较,单元尺寸在3 mm时计算结果有较高的精度,出于节省资源和准确性考虑,笔者采用对三通肩部、腹部局部加密到单元尺寸为3 mm进行计算。

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

2 模拟结果与分析

由于三通各部位形状不规则以及应力分布的复杂性,为便于计算比较,在得到各点主应力后,选取Mises当量应力(第四强度理论)来反映各点的应力大小,通过对主管为DN600,DN900,DN1200等三通的有限元模拟,可以看出峰值应力主要集中在三通腹部区域,因此,笔者将以腹部为代表，系统研究采用披肩加强后跨越三通的应力大小及分布规律(分析路径参见图5,a、d点为三通支管端点,c点为与三通相连接主管的端点)。

1) 针对DN900/DN500跨越三通,图6给出了沿支管方向def路径的应力变化图;图7给出了相贯线eb路径的应力变化图;图8给出了沿三通肩部过渡区abc路径的应力变化图;(图中DN900/DN500-6表示披肩厚度为6 mm的DN900/DN500跨越加强三通模型)

图6 跨越三通轴向def路径应力分布Fig.6 Cross tee axial stress distribution def path

图7 相贯线eb路径的应力分布Fig.7 Interfingering lines eb stress distribution of the path

由图6、图7可见,由于三通主支管相贯,三通的应力在主支管连接处发生波动,产生较大的应力梯度,并在三通的肩部(b点)和腹部(e点)出现峰值应力,随着向两侧肩部的移动应力值在逐渐减小。而且三通的腹部应力比肩部应力大的多,这个部位为压制三通的危险部位;采用披肩加强后,三通腹部(e点)的最大应力明显下降,且随着披肩厚度的增加,最大应力值减小越大,结构的受力性能有了很大的改善。

图8 跨越三通轴向abc路径应力分布Fig.8 Axial stress distribution abc path across the three links

由图8可知,采用披肩加强后,三通的肩部(b点)峰值应力降低,披肩越厚最大峰值应力越小;而三通支管a点由于三通披肩加强,三通强度增加,抵抗来自于支管热膨胀形成的扭矩作用的能力增加,所以在三通支管侧(a点)应力有所增大。

2) 针对主管为DN1200,支管为DN900,DN800;主管为DN900,支管为DN600,DN500;主管为DN600,支管为DN350,DN300异径挤压三通构成的跨越式三通,通过模拟五种披肩厚度加强方式,得到了应力大小随不同披肩厚度的变化规律,如图9所示。

图9 跨越三通随披肩厚度变化的应力分布规律Fig.9 Cross tee regularity of stress distribution changing with the thickness of the shawl

从图9中可以看出采用披肩加强后,跨越式分支的异径挤压三通腹部区域峰值应力降低,并随着披肩厚度的增加三通的最大应力不断减小;对于同种规格主管,支管越小,采用披肩加强的效果越明显,以上充分说明采用披肩加强可有效的改善腹部区域的应力集中问题。

3) 为了探究肩部加强对于跨越三通的加强效果,在应力最大点(e点)周围选取8个节点观察腹部区域应力变化规律,如图10所示。

由图11可以看出，当采用披肩加强后,腹部区域的应力峰值降低,高应力区域应力值随着披肩厚度的增加相应减小,高应力区域缩小,结构的受力性能得到明显改善。

图10 三通模型取点局部放大图Fig.10 Tee model take local amplification figure

图11 不同披肩厚度1-9号节点应力分布Fig.11 Different thickness of cape 1-9 nodes stress distribution

3 结论

1) 常规供热直埋热水管道材料为Q235B低碳钢,为理想的弹塑性材料。在正常冷安装运行时,由线弹性计算的最大峰值应力远超过钢材的屈服应力,使三通局部进入屈服阶段,所以运用直埋热水管道三通必须进行加强保护。

2) 压制三通的腹部应力集中程度最大,是进行加固保护的重点区域。

3) 随着披肩壁厚的增加,三通腹部区域应力峰值降低,并且应力集中区域整体应力值下降,应力集中区域缩小,故采用披肩加强能够有效的改善腹部区域的应力集中问题。

4) 当主管管径一定,支管规格越小,应力集中区域应力值越低,采用披肩加强的效果越明显。

5) 主管和支管都较小的三通,其应力集中区域的平均应力值小,故不同规格的三通,在满足疲劳寿命的前提下,其披肩加强的壁厚不同。

6) 弥补了CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》对于三通加强方式的不足,为大口径直埋供热管道三通的加强提供了理论支持,同时本文的计算结果可以为工程设计施工提供参考。

[1] 杨宁祥,李惠荣.异径焊制三通应力的有限元分析[J].化工装备技术,2006,27(5):25-27.

[2] 城市建设研究院,北京市煤气热力工程设计院有限公司.城镇供热直埋热水管道技术规程:CJJ/T 81-2013 [S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3] 苏厚德,冯玉洁,樊建领.异径挤压三通应力的有限元分析[J].石油化工高等学校学报，2010,23(3):86-89.

[4] YU G Q,WANG F,DU G.Finite element analysis of stamped tees stress in directly buried heating pipeline[J].Applied Mechanics & Materials,2013,405/408:997-1001.

[5] 轩福贞,李培宁.挤压三通弹塑性应力分布的有限元分析[J].化工设备与管道,2002,39(5):43-46.

[6] 李光华. 压力管道三通有限元分析[C]∥中国土木工程学会.中国土木工程学会水工业分会结构专业委员会四届三次会议论文集.北京:中国土木工程学会,2007:120-123.

[7] Factory-made wrought butt-welding fitings(ASME B16.9-2012)[S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2013:13.

[8] 贾慧灵,李强,孙亮.输油管道三通弹塑性应力分布的有限元分析[J].煤矿机械,2008,29(6):76-79.

[9] 皮特·兰德劳夫.区域供热手册[M]. 贺平,王刚,译.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1998:96-97.

[10] 宋少云,尹芳.有限元网格划分中的圣维南原理及其运用[J].机械设计与制造,2012(8):63-65.

(编辑：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

住房和城乡建设部科学技术计划项目：城镇集中供热弹性弯曲直埋管道关键技术研究(2016-k4-079);博士后科学基金资助项目(2012M520606)

郭宏(1988-)，男，太原人，硕士生，主要从事供热技术与节能方向的研究，(E-mail)916078113@qq.com

王飞，教授，主要从事供热技术与节能方向的研究，(E-mail)wfwfsir@126.com

TU833.1

A

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