基于ProE的变径管失效分析及结构优化设计.pdf

2010年第39卷
石油矿场机
第5期第36页
OIL FIELD EQUIPMEENT
2010,39(5):36~3
文章编号:1001-3482(2010)05-003603
基于Pro/E的变径管失效分析及结构优化设计
李永飞,吕瑞典,蔺亚军,张鑫
(西南石油大学机电工程学院,成都610500)
摘要;利用有限元软件Pro/E对失效的异径管进行了静カ学分析,得到了异径管应カ分布图,找到
了异径管失效的原因。在此基础上对异径管的结构进行了改进,并运用Pro/ Mechanica软件对异径
管进行了强度校核,结果表明,結构改进后异径管的强度能够满足使用要求。
关键词:变径管;结构;应カ分析;有限元法
中图分类号:TE9文献标识码:B
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, Chengda 610500, hin,
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/MECHANICA software. The re
sult showed that the intension of tapered pipe could meet the using demand after structure improvement
Key words: tapered pipe; structure; stress analysis; finite element method
有限元法可以用来求解零部件的应力、应变,在(简称锥体小端)到直管之间的过渡区域。异径管
零部件结构设计和优化中已经得到了广泛应用。在的材质为20钢,工作温度为350℃,工作压力为4.2
零部件失效分析和修复性再设计中,可以利用Pro/MPa。失效时工作压力为4.7MPa,管内介质为饱和
Engineer功能完成三维建模,再利用Pro/ Mechanica蒸汽。
模块的有限元分析功能进行应力分析,发现零部件
必104
强度薄弱部位,然后在Pro/ Mechanica模块中进行零
排空用安全阅
风载荷
断裂处
部件结构修改,并进行应力分析。如此反复就可以
得到适用的零部件结构参数。本文用Pro/ Mechani
ca软件对异径管断裂现象进行分析和结构改进,介
绍Pro/ Mechanica软件在零件结构设计中的应用。
1失效原因分析
某化工厂汽水分离器中有1个异径管发生断
图1异径管结构
裂。图1为该异径管的结构相。该异径管安装在蒸汽
锥体小端发生的是横向失效,因此根据该处的
排空管线中。断裂处位于锥形管直径较小的一端纵向拉应力进行强度校核(暂不考虑应力集中)。
收稿日期:2009-10-19
作者简介:李永飞(1982-),男,河南周口人,硕士研究生,主要研究方向为石油及化工机械,E-mail:lyf1982612@163.com。
第39卷第5期
李永飞,等:基于Pro/E的变径管失效分析及结构优化设计
锥体小端受到的拉应力由2部分组成:由蒸汽大端)连接在固定设备上,小端连接1个用于排空
压力产生的纵向拉应力81,和风载荷作用在此处的的安全阀(如图1所示)。可以认为大端是固定的,
穹矩产生的最大拉应力82。由文献[1]第16~19小端是自由的。三维模型需要模拟这种情况,因此
页得
在大端的断面自由度全部约束。考虑到仅仅是纵向
D
拉应力引起失效,所以忽略引起管道周向拉应力的
A48(8+D
(1)管内蒸汽压力。在模型中,将管间纵向拉力和风载
式中,M为管中蒸汽压力产生的轴向力,A为异径管荷看作作用在模型上端面上的一个组合载荷。建立
小端的楨截面积,p为异径管中蒸汽压力,MPa;D,的几何模型如图2。
为昇径管小端内径,mm;8为异径管小端壁厚,mm。
将p=4.7MPa、D2=98mm、8=3mm代入式
(1)计算,得61=37.24MPa。
由文献[2]第167~173页得
Mn、Fh
WW
图2异径管几何模型(小端过度圆角半径为10mm)
式中,F为风载荷,根据连接在异径管上端安全网
2.2有限元分析
的迎风面积和天气情况估算,估算值为300.623N;
为了获得异径管在组合载荷作用下的应力分布
h为将风载荷简化成集中载荷时,其作用点离锥体
小端的纵向距离,取430mm;W.为锥体小端处的
情况,在Pro/ Mechanica环境下进行静载荷分析。分
析前对异径管三维几何模型进行网格划分(如图
抗弯截面模量,mm3
3)。然后进行有限元计算,给出了异径管纵向应力
D.-8
分布图(如图4)。
将D2=98mm、S=3mm代人式(3)计算,得
23.36mma
将W,=23.36、F=300.63N、ん=430mm代人
式(2)计算,得82=5.333MPa。
将δ1与82相加得到锥体小端受到的最大拉应
图3异径管网格划分
力为42.776MPa,取为43MPa
根据国家标准CBI50-1998,钢制压力容器在
350℃时20钢管的许用应力为92MPa,因此异径管
强度能够满足使用要求。由于失效发生在锥体小端
9987654
01
处,而且异形管形状变化较大,初步判断失效是由应
4006+01
力集中引起的。为验证这一推断,用Pro/ Mechanica
2.000e-0
1.000e+0
软件对异径管进行有限元分析。
几何模型的建立和有限元分析
图4异径管应力分布云图
在不影响锥体小端力学分析的前提下,对该
由图4可以看出,小端与锥面过度处的应力最
异径管结构进行适当简化,忽略安全阀的外形。大,达96,38MPa,远高于直管的平均应力。由于失
为了显示风载荷的作用点位置,将直管长度延长效发生在锥体小端处,所以需要对异径管的结构进
到430mm。
行改进,以减缓异径管锥体小端过度处的应力集中。
2.1几何模型
用Pro/ Mechanica对异径管的有关参
在Pro/ Engineer环境下建立异径管几何模型,
然后转入Pro/ Mechanica环境进行力学分析。
数进行灵敏度分析的
在实际使用中该异径管直径较大