常見問題

彎管應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)

更新時間??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，對彎管進(jìn)行 準(zhǔn)確的力學(xué)分析是進(jìn)行彎管設(shè)計制造和結(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)驗確定。在對彎管力學(xué)分析中，傳統(tǒng) 的分析方法都做出了一定的簡化假設(shè)，與彎管的實際工作狀態(tài) 存在一定的出入。流體流經(jīng)彎管時的不均勻性；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，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分支，從流體動力 學(xué)出發(fā)，對彎管內(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)計壓力、流速對彎 管受力的影響。為彎管的設(shè)計、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)力計算 彎管內(nèi)流體的流動一般為湍流，是一種定常流，其壓力采用 k一8方程。用有限元法進(jìn)行計算，并由流體的壓力進(jìn)而計算彎 管的應(yīng)力分布。為滿足工程設(shè)計復(fù)雜化、多樣化的需要，采用商 業(yè)有限元軟件ANSYS，并以此為計算平臺，編寫差分計算機(jī)程 序并嵌入ANSYS進(jìn)行設(shè)計計算，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 算程序框圖見圖2所示



對稱結(jié)構(gòu)，所以有限元模型采用軸對稱 單元，在ANSYS建立結(jié)構(gòu)的有限元模 型時，將計算過程中所有的參數(shù)均設(shè)計 為變量形式，計算過程中根據(jù)實際問題 再輸入其確定值。從而形成確定的計算 模型；根據(jù)入口流速、出入口的壓力，計 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；最后由來自流 體作用在彎管內(nèi)壁上的壓力計算彎的應(yīng)力。 由圖3．4可見，流體流經(jīng)彎管時，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)相對較小，而且隨著流體速度的增大，內(nèi)外壁 的壓力差相對增大，但速度變化對流體壓力分布影響不大。由 此可見。過去對彎管強(qiáng)度分析時，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。通過有限元法對流體 進(jìn)行動力學(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的應(yīng)力分布。由圖可看出。在其它 參數(shù)相同時，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)。



以上通過對彎管的流體進(jìn)行分析，計算了彎管內(nèi)流體的粘 性應(yīng)力，并得出彎管的粘性應(yīng)力相對壓力較??；并通過流體動力 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 計算平臺，通過來自流體的壓力實現(xiàn)了對彎管應(yīng)力的研究，并就 彎管和流體參數(shù)對彎管應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析探討，可為彎管 的設(shè)計和工程應(yīng)用提供參考。

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