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鋼塑複合管的強度有限元分析

發布於:2019-07-26 20:25
有限元分析

      我國化工管道設計規範中,給出了金屬管道承受內壓管壁的3個應力,從目前各國的管道規範看來,大多采用的是最大剪應力強度理論,該理論能較好地符合塑性材料的破壞情況,簡單可靠。但非金屬材料的應力一應變特性與金屬材料的應力一應變特性有較大差異,同時由於采用襯裏後,對管道的應力、剛度產生了很大影響,因此需要對有襯裏管道進行強度應力有限元分析,以保證管道的正常運行和使用壽命。
      對於有襯裏管道,可考慮按如下進行簡化:①襯裏材料是均勻的。②襯裏層與鋼管之間是緊密連接的。③設外層金屬管道為各向同性材料厚壁筒,內層為正交異性材料薄壁筒,管道變形為平麵應變軸對稱問題。內襯裏直管的應力主要由兩方麵組成:①管子在工作過程中由於內壓而產生的應力;②襯裏和鋼管壁之間由於粘結而產生的粘結應力。因此有襯裏直管應力模型可以簡化為內外受力的圓筒,其中分別為襯裏外、內壁上所受到的外力。由於襯裏為正交異性材料。
      一般管道為三維走向,在複雜載荷作用下所產生的應力狀態是複雜的。在工程中管道承受的載荷大致可分為以下4類:①內壓載荷:可能在幾種不同壓力、溫度組合條件下運行的管道,應根據最不利的壓力溫度組合確定管道的計算壓力。②持續外載:包括管道基本載荷(管子及其附件的重量、管內介質重量、管外保溫層的重量等)、支吊架的反力、以及其它集中和均布的持續外載。③熱脹和端點位移:管道由安裝狀態過渡到運行狀態,由於管內介質的溫度變化,管道產生熱脹冷縮使之變形;與設備相連接的管道,由於設備的溫度變化而出現端點位移,也可能使管道變形。④偶然性載荷:包括風雪載荷、地震載荷、流體衝擊及安全閥動作而產生的衝擊載荷。這些載荷都是偶然發生的臨時性載荷,而且不會同時發生,在一般靜力分析中,可不考慮這些載荷。
      當管內存在均勻分布的壓力時,在管壁上任何一點的應力狀態由作用於該點上3個相互垂直的主應力所決定。它們分別是沿圓周方向上的內壓周向應力。沿管壁直徑方向的內壓徑向應力,平行於軸向的內壓軸向應力,其中,內壓周向應力是隨半徑而變化的,在內壁為最大值,外壁為最小值。內壓徑向應力的最大值在管內壁,而在管外壁為零。內壓軸向應力與半徑無關,是沿管壁均勻分布的。
      根據第三強度理論,其當量強度為內壓周向應力;①內壓周向應力是內壓作用於管壁,在管壁內產生的周向拉應力。當內壓作用於襯裏材料時,由於襯裏材料多為拉應力較低,因此平衡內壓周向應力(拉應力)實際是由鋼管完成的。此時鋼管由於內壓而產生的周向應力與無襯裏鋼管所受周向應力幾乎相同。②內壓徑向應力的最大值在內壁(即襯裏內壁),鋼管外壁為零,屬壓應力。平衡此項應力由襯裏層和鋼管共同承擔,同時,襯裏要平衡部分外部壓力所產生的內力,而鋼管徑向應力水平會下降,因此,有襯裏鋼管所受內壓徑向應力減小。③內壓軸向應力是沿軸向均勻分布,屬拉應力。在管道截麵上的內壓軸向應力也是由襯裏層和鋼管共同承擔。由於襯裏材料抗拉強度較低,則平衡軸向應力主要由鋼管來完成,此時鋼管因內壓而產生的軸向應力與無襯裏時幾乎相同,可認為襯裏材料對鋼管所受內壓軸向應力的影響可忽略不計。


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