基于有限元的三通管应力分析与强度评定

翁剑成，谢煌生

（龙岩学院物理与机电工程学院机电系，福建 龙岩 364102）

基于有限元的三通管应力分析与强度评定

翁剑成，谢煌生

（龙岩学院物理与机电工程学院机电系，福建 龙岩 364102）

通过三通的有限元分析，获得了内压作用下三通的应力分布特性;依据ASMEⅧ-Ⅱ《美国压力容器规范分析》进行应力强度评定，工程应用表明，采用有限元分析软件能很好地解决设备开孔产生的应力问题，特别是当管口承受复杂外载荷情况下的应力计算。

有限元;应力分析;强度评定

三通是管道系统中的常用部件，不仅仅是管道改向和物料分流的重要结构，而且是一种重要的柔性元件，能够有效消除管系中因温差和安装尺寸偏差等原因造成的应力，与管道中直管道相比，三通属于大开孔结构，存在几何形状不连续因素，在相贯线的拐角处会形成极大的应力集中，致使在正常的工作条件下，该处也可能达到屈服，根据分析设计方法的观点，结构的一点或局部进入塑性屈服并不导致破坏，容器中各种应力对其强度的影响各不相同，要想设计既经济合理，又安全可靠，就应当科学地对应力进行分类，并按不同的设计准则予以限制[1]。

1 有限元模型的建立

在建模上考虑到结构、外载及约束上的对称性，采用了简化形式，建立了1／4模型，如图1所示，在网格划分上采用三维20节点六面体单元solid 95，为了确保计算结果的精确度，网格应尽可能规整、均匀，为此整个模型网格通过一些处理采用映射划分，模型中共有29487节点，共有26688单元，网格划分如图2。在工作温度292℃，管道材料 E＝187G P a，泊松比 μ＝0．3，设计应力强度 Sm＝123M P a。

位移约束情况是:剖切面B施加Y向位移，剖切面D施加X向位移，在模型中某一节点上约束Z向位移，以消除刚体位移;位移约束情况是:在内表面施加工作压力9．1M P a，在支管横截面A和主管横截面C上施加均布应力[2]。

图1 三通管道1/4分析模型

图2 三通管道有限元模型

2 有限元网格划分合理性验证

为了验证有限元网格划分的合理性，在主管截面从内壁到外壁方向定义一路径ɑ，如图3所示的黑点，有限元计算结果如图4所示。

图3 主管截面路径

图4 主应力随路径距离的变化关系

从图4中可以看出:

（1）S1及S2均为正值，说明是拉应力，S3为负值，说明是压应力，在数值上的规律是:内壁S1有最大值为 41．66MPa，外壁处减到最小为32．67MPa，内壁 S3 有最小值为－8．505MPa，外壁约为 0MPa，S2 几乎不变，为 15．64M P a。

（2）S2近似为直线，并且S2约为S1与S3图线之和的一半。

另外，根据压力容器分析设计基础理论[3]，对于厚壁筒，第一主应力S1近似为周向应力σθ，第二主应力S2近似为轴向应力σz，第三主应力S3近似为径向应力σr，根据在内压作用下厚壁圆筒的三向应力公式和数据，计算出 σr、σθ、σz如表 1所示，从表1中可以看出σθ及σz均为正值，说明是拉应力，σr为负值，说明是压应力，在数值上的规律是:内壁σθ有最大值为40．40MPa，外壁处减到最小为 31．30MPa，内壁 S3 有最小值为－9．10MPa，外壁约为 0MPa，S2 几乎不变，为 15．65M P a;轴向应力σz为常数，沿壁厚均匀分布，且为周向应力σθ与径向应力σr之和的一半，与前面的有限元计算结果是一致的。

表1 内外壁理论计算结果表 /MPa

3 应力分类及强度评定

对危险部位用线处理法将应力分解为薄膜应力、弯曲应力和峰值应力，为了进一步分析结构的安全性，取5条（如图5）从内壁贯穿外壁的评定线进行应力分类评定，有限元线性处理后的结果如图6所示，从图中可以看出各路径沿壁厚方向上的总应力按线法的分解结果均在内壁出现最大值，具体的应力分解结果如表2所示。

图5 评定路径图

图6 沿壁厚方向的应力校核线的分解结果

表2 各评定线上的应力分解结果 /MPa

4 结论

ASMEⅧ-Ⅱ《美国压力容器规范分析》要求对计算部位的应力作详细计算，按应力性质影响范围及分布状况将应力分为一次应力、二次应力和峰值应力。对于不同性质的应力给予不同的限制条件。由于三通所受载荷并非周期性载荷，故会产生破坏影响的只是一次应力和二次应力，对峰值应力的影响可以不考虑，因而只需满足如下两项应力限制条件。由材料在工作温度292℃下的设计应力强度为Sm＝123MPa，从表2可以看出:

（1） 一次局部薄膜应力 Pl＝182．6MPa＜1．5Sm＝1．5×123＝184．5MPa，显然评定路径 1、路径 2、路径3、路径4和路径5的实际薄膜应力均满足这个强度条件。

（2）从表2中可以看出各路径上的一次应力加二次应力的组合应力强度均小于 Pl＋Pb＋Q＝199．80MPa＜3．0Sm＝3．0×123＝369MPa。 其中，Pl为一次局部薄膜应力;Pm为一次弯曲应力;Q为二次应力，故满足强度要求。

[1] 贺匡国．压力容器分析设计基础（第1版）[M]．北京:机械工业出版社，1995．

[2] 王泽军．锅炉结构有限元分析[M]．北京:化学工业出版社，2005．

[3] 郑津洋，董其伍，桑芝富．过程设备设计（第1版）[M]．北京:化学工业出版社，2001．

[4] 黄克敏，等．带偏置大接管封头的三维有限元分析与强度评定[J]．压力容器，2003，20（1）:24-27．

[5] 李建国．压力容器设计的力学基础及其标准应用[M]．北京:机械工业出版社，2004．

[6] 张朝晖．ANSYS 8．0结构分析及实例解析[M]．北京:机械工业出版社，2005．

Stress Analysis and Stress Intensity Assessment in Three-way Pipe Based on Finite Element

WENGJian-cheng，XIEHuang-sheng
（Department of Mechanical and Electrical Engineering， College of Physical and Mechanical and Electrical Engineering，Longyan University，Longyan 364102， China）

By the finite element analysis of three-way pipe，the accurate stress distribution characteristic was obtained under the inner pressure．An assess of stress intensity was made based on ASME Ⅷ-Ⅱ《America pressure vessel criterion analysis》．The engineering application showed that the finite element analysis software was good at solving the equipment large opening，especially solved the stress calculation of pipe hole borne complex external load of pipeline．

finite element analysis; stress analysis; assess of stress intensity．

TQ055.8

A

1671-9905（2011）11-0064-03

翁剑成（1978-），男，汉族，福建龙岩市人，龙岩学院机电系教师，助教硕士，从事有限元分析计算研究，E-mail:wjcandy123＠126．com，Tel:13850602912

2011-07-08