基于 Pro/E的變徑管失效分析及結構優化設計

李永飛,呂瑞典,藺亞軍,張 鑫

(西南石油大學機電工程學院,成都 610500)

基于 Pro/E的變徑管失效分析及結構優化設計

李永飛,呂瑞典,藺亞軍,張 鑫

(西南石油大學機電工程學院,成都 610500)

利用有限元軟件 Pro/E對失效的異徑管進行了靜力學分析,得到了異徑管應力分布圖,找到了異徑管失效的原因。在此基礎上對異徑管的結構進行了改進,并運用 Pro/Mechanica軟件對異徑管進行了強度校核,結果表明,結構改進后異徑管的強度能夠滿足使用要求。

變徑管;結構;應力分析;有限元法

Abstract:Based on statistics analysis of an invalid tapered pipe with finite element software Pro/E,the stress distribution diagram was obtained and cause of tapered pipe failure was found.Structure of tapered pipe was improved accordingly,and its intension was checked with Pro/MECHAN ICA software.The result showed that the intension of tapered pipe could meet the using demand after structure improvement.

Key words:tapered pipe;structure;stress analysis;finite elementmethod

有限元法可以用來求解零部件的應力、應變,在零部件結構設計和優化中已經得到了廣泛應用。在零部件失效分析和修復性再設計中,可以利用 Pro/Engineer功能完成三維建模,再利用 Pro/Mechanica模塊的有限元分析功能進行應力分析,發現零部件強度薄弱部位,然后在 Pro/Mechanica模塊中進行零部件結構修改,并進行應力分析。如此反復就可以得到適用的零部件結構參數。本文用 Pro/Mechanica軟件對異徑管斷裂現象進行分析和結構改進,介紹 Pro/Mechanica軟件在零件結構設計中的應用。

1 失效原因分析

某化工廠汽水分離器中有 1個異徑管發生斷裂。圖1為該異徑管的結構。該異徑管安裝在蒸汽排空管線中。斷裂處位于錐形管直徑較小的一端(簡稱錐體小端)到直管之間的過渡區域。異徑管的材質為 20鋼,工作溫度為 350℃,工作壓力為4.2 MPa。失效時工作壓力為 4.7MPa,管內介質為飽和蒸汽。

圖1 異徑管結構

錐體小端發生的是橫向失效,因此根據該處的縱向拉應力進行強度校核 (暫不考慮應力集中)。

錐體小端受到的拉應力由 2部分組成:由蒸汽壓力產生的縱向拉應力δ1,和風載荷作用在此處的彎矩產生的最大拉應力δ2。由文獻 [1]第 16～19頁得

式中,N為管中蒸汽壓力產生的軸向力,A為異徑管小端的橫截面積,p為異徑管中蒸汽壓力,MPa;Di為異徑管小端內徑,mm;δ為異徑管小端壁厚,mm。

將p=4.7 MPa、Di=98 mm、δ=3 mm代入式(1)計算 ,得 δ1=37.24 MPa。

由文獻 [2]第 167～173頁得

式中,Ff為風載荷,根據連接在異徑管上端安全閥的迎風面積和天氣情況估算,估算值為300.623 N;h為將風載荷簡化成集中載荷時,其作用點離錐體小端的縱向距離,取 430 mm;Wz為錐體小端處的抗彎截面模量,mm3。

將Di=98 mm、δ=3 mm代入式 (3)計算,得Wz=23.36 mm3。

將Wz=23.36、Ff=300.63 N、h=430 mm代入式 (2)計算 ,得 δ2=5.333 MPa。

將δ1與δ2相加得到錐體小端受到的最大拉應力為 42.776 MPa,取為 43 MPa。

根據國家標準 GB150—1998,鋼制壓力容器在350℃時 20鋼管的許用應力為 92MPa,因此異徑管強度能夠滿足使用要求。由于失效發生在錐體小端處,而且異形管形狀變化較大,初步判斷失效是由應力集中引起的。為驗證這一推斷,用 Pro/Mechanica軟件對異徑管進行有限元分析。

2 幾何模型的建立和有限元分析

在不影響錐體小端力學分析的前提下,對該異徑管結構進行適當簡化,忽略安全閥的外形。為了顯示風載荷的作用點位置,將直管長度延長到430 mm。

2.1 幾何模型

在 Pro/Engineer環境下建立異徑管幾何模型,然后轉入 Pro/Mechanica環境進行力學分析。

在實際使用中該異徑管直徑較大的一端 (簡稱大端)連接在固定設備上,小端連接 1個用于排空的安全閥 (如圖1所示)。可以認為大端是固定的,小端是自由的。三維模型需要模擬這種情況,因此在大端的斷面自由度全部約束?？紤]到僅僅是縱向拉應力引起失效,所以忽略引起管道周向拉應力的管內蒸汽壓力。在模型中,將管間縱向拉力和風載荷看作作用在模型上端面上的一個組合載荷。建立的幾何模型如圖2。

圖2 異徑管幾何模型 (小端過度圓角半徑為 10 mm)

2.2 有限元分析

為了獲得異徑管在組合載荷作用下的應力分布情況,在 Pro/Mechanica環境下進行靜載荷分析。分析前對異徑管三維幾何模型進行網格劃分 (如圖3)。然后進行有限元計算,給出了異徑管縱向應力分布圖 (如圖4)。

圖3 異徑管網格劃分

圖4 異徑管應力分布云圖

由圖4可以看出,小端與錐面過度處的應力最大,達 96.38 MPa,遠高于直管的平均應力。由于失效發生在錐體小端處,所以需要對異徑管的結構進行改進,以減緩異徑管錐體小端過度處的應力集中。

3 用 Pro/Mechanica對異徑管的有關參數進行靈敏度分析[3-6]

要減緩應力集中現象,需要對異徑管結構加以改進。結構改進方法有多種,通過一般宏觀分析,其中有 3種方法比較容易實現:①增大角度α;②增大錐體小端與直管間過渡處的圓角半徑;③增加壁厚。現利用 Pro/Mechanica模塊對以上 3種情況進行靈敏度分析,通過對生成的一系列關系曲線 (如圖5～8)的分析,找出最有利且切實可行的改進方法。

圖5 應力隨大端壁厚的變化曲線

圖6 應力隨小端壁厚的變化曲線

圖7 應力隨小端圓角半徑的變化曲線

圖8 應力隨小端角度的變化曲線

由圖5～6可以看出,在一定范圍內增加壁厚可以減緩應力集中,但它是以增加零件質量進而增加成本為代價的,這樣對它的經濟性與制造工藝性將產生不利影響,所以采用增加壁厚的方法來降低應力集中不是最科學的辦法?？紤]到減小錐度會增加錐體的高度,管道安裝時容易與設備的其他部件發生干涉,并且由圖8可以看出只有小端角度α很大(175℃左右)時才能有效減小應力集中;由圖7關系曲線可以看出,采取增大圓角半徑的方法可以有效的降低應力集中。圖9為圓角半徑等于 70 mm時的應力云圖,可見應力集中程度已經降低到安全范圍內。

圖9 圓角半徑等于 70 mm時的應力分布云圖

4 結論

1) 用 Pro/Mechanica軟件對失效異徑管進行有限元應力計算后發現,發生在異徑管錐體小端處的應力集中是導致異徑管失效的根本原因。

2) 根據靈敏度分析結果,增大錐體小端與直管之間過渡處的圓角半徑、增大小端角度α、增加厚度,均能減小應力集中。但綜合其他因素,最后采用增加過度圓角半徑的方法來降低應力集中。

3) Pro/Mechanica是實用性較強的有限元分析軟件,可以用來快速而準確地發現零部件應力分布情況,幫助工程技術人員對零部件結構設計加以改進,減少設計周期及成本。

[1] 劉鴻文.材料力學 (上冊)[M].北京:高等教育出版社,1992.

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[4] 唐興波,李 黔,劉永剛.膨脹管變徑膨脹工具結構優化設計[J].石油礦場機械,2008,37(11):24-25.

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Pro/E-based Failure Analysis on Tapered Pipe with Finite Element Method and its Structure Improvement

LI Yong-fei,LV Rui-dian,LIN Ya-jun,ZHANG Xin
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

TE9

B

1001-3482(2010)05-0036-03

2009-10-19

李永飛 (1982-),男,河南周口人,碩士研究生,主要研究方向為石油及化工機械,E-mail:lyf1982612@163.com。