全尺寸管道軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)夾具的設(shè)計(jì)與分析

李澤邦 ，李 森 ，劉太元 ，谷春華

1.青島海洋工程水下設(shè)備檢測(cè)有限公司，山東青島 266000

2.國(guó)家海洋設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)中心（山東），山東青島 266000

3.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林長(zhǎng)春 130012

全尺寸管道軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)主要用于各類型海底管道的軸向疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)的夾具是全尺寸管道軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部件，而目前軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)的夾具大多僅適應(yīng)于小尺寸試樣測(cè)試，無(wú)法滿足全尺寸試樣的測(cè)試要求。因此需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證關(guān)鍵部件受力情況變化，以保證整體、局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、壽命滿足試驗(yàn)要求[1-6]。

1 夾具的設(shè)計(jì)

國(guó)家海洋設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)中心為了進(jìn)行全尺寸管道疲勞測(cè)試，研發(fā)了一臺(tái)全尺寸管道軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)最高能夠?qū)崿F(xiàn)10000kN 動(dòng)態(tài)或20000kN 靜態(tài)的拉壓試驗(yàn)。其中的關(guān)鍵部位夾具由夾頭、連接軸、球面壓頭、推拉盤(pán)、試樣安裝法蘭、螺栓等組成，其剖面示意如圖1 所示。

圖1 夾具剖面示意

其中連接軸與夾頭相連，內(nèi)側(cè)安裝球面壓頭和推拉盤(pán)，外側(cè)安裝鎖緊螺母夾緊U 型壁；試樣安裝法蘭通過(guò)螺栓與連接軸相連。

2 有限元分析

試驗(yàn)機(jī)的夾具在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，會(huì)承受很大的負(fù)荷，尤其是夾具的螺栓和夾頭。為了驗(yàn)證軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)夾具螺栓和夾頭的強(qiáng)度和疲勞壽命，采用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1 螺栓的靜力強(qiáng)度分析

在對(duì)試樣進(jìn)行20000kN 拉伸測(cè)試時(shí)，螺栓受力最大，故此處僅對(duì)拉向負(fù)載進(jìn)行計(jì)算分析，得到法蘭盤(pán)整體應(yīng)力云圖如圖2 所示，可以看出法蘭盤(pán)整體承載情況良好。得到螺栓應(yīng)力云圖如圖3（a） 所示，可以看出較大應(yīng)力處主要集中于螺栓頭部，最大應(yīng)力為972.06MPa；螺栓的頭部變形量很小，如圖3（b） 所示，可以滿足設(shè)計(jì)要求。螺栓材料選取為50CrVA，其屈服強(qiáng)度σs≥1127MPa，高于計(jì)算所得螺栓承載的最大應(yīng)力（972.06MPa），符合設(shè)計(jì)及使用要求。

圖2 法蘭盤(pán)整體應(yīng)力云圖/MPa

圖3 螺栓應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

2.2 螺栓的疲勞分析

對(duì)試樣進(jìn)行10000kN 動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試時(shí)，采用ANSYS 對(duì)夾具中的螺栓進(jìn)行疲勞分析，螺栓的疲勞壽命云圖見(jiàn)圖4，安全系數(shù)云圖見(jiàn)圖5。

圖4 螺栓及半剖視疲勞壽命云圖

圖5 螺栓安全系數(shù)云圖

從圖4 中可以看出螺栓疲勞壽命基本在1×108～1×109之間，所分布位置與圖5 安全系數(shù)云圖對(duì)應(yīng)。默認(rèn)設(shè)計(jì)疲勞壽命為1×109時(shí)螺栓絕大部分安全系數(shù)大于2.5，符合要求。從圖5 中可以看出最小安全系數(shù)0.185 位置在螺栓頭部圓角處，與實(shí)際螺栓易損區(qū)域相符，不影響整體的設(shè)計(jì)使用需求。

2.3 夾頭的靜力強(qiáng)度分析

夾頭受到最大靜載為±20000kN，最大動(dòng)載荷±10000kN，取夾頭軸向承載Qmax=20000kN。根據(jù)此受力情況對(duì)夾頭進(jìn)行有限元分析，夾頭的位移分布及應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

從圖6 可以看出，夾頭的最大位移出現(xiàn)在夾頭內(nèi)腔體加載端面開(kāi)口處，最大位移變形為0.64mm，夾具絕大部分應(yīng)力小于284 MPa，最大應(yīng)力為638.79MPa，位置在夾頭內(nèi)腔體加載環(huán)形端面與側(cè)面連接處表面。螺栓連接處應(yīng)力范圍為100～200MPa。材料選取42CrMo，其屈服極限值為σs=930MPa，則安全系數(shù)為930/638.79≈1.5＞1，滿足使用要求。

2.4 夾頭疲勞壽命分析

該試驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)行最大動(dòng)載荷±10000kN 的疲勞測(cè)試，通過(guò)分析軟件后處理功能得出夾頭的壽命云圖和安全系數(shù)云圖，如圖7、圖8 所示。

從圖7 中可以看出夾頭疲勞壽命整體基本在1×109，所分布位置與安全系數(shù)云圖對(duì)應(yīng)。從圖8中可以看出，默認(rèn)設(shè)計(jì)疲勞壽命為1×109時(shí)夾頭絕大部分安全系數(shù)大于5，符合要求。最小安全系數(shù)0.37，位于夾具內(nèi)腔與大螺母連接處及附近臺(tái)階表面。夾頭整體滿足使用要求。

圖6 夾頭位移應(yīng)力云圖（半剖視）

圖7 夾頭疲勞壽命云圖（半剖視）

圖8 夾頭安全系數(shù)云圖

3 試驗(yàn)應(yīng)用

國(guó)家海洋設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)中心在利用該全尺寸管道軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)為某D 1016mm的管道進(jìn)行測(cè)試時(shí)，靜態(tài)拉伸力達(dá)到16000kN，疲勞測(cè)試時(shí)拉伸力達(dá)到8000kN，測(cè)試力值達(dá)到整臺(tái)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的80%，夾具未受到損傷，說(shuō)明此套夾具的設(shè)計(jì)與分析能夠滿足試驗(yàn)機(jī)的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了全尺寸管道軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)夾具的特點(diǎn)，分析了夾具中螺栓和夾頭在20000kN作用力下的力學(xué)性質(zhì)，并對(duì)其靜力強(qiáng)度和疲勞性質(zhì)進(jìn)行了有限元分析，最大應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了夾具的可靠性，為全尺寸管道軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)夾具的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。