歡迎訪問(wèn)大銘不銹鋼官方網(wǎng)站
全國(guó)熱線:189-3430-4608

不銹鋼水管新聞中心

首頁(yè) > 新聞中心 > 行業(yè)動(dòng)態(tài)
公司新聞 行業(yè)動(dòng)態(tài) 問(wèn)題咨詢(xún)
22
2018.09

龍崗區(qū)304薄壁不銹鋼管卡壓式連接的有限元分析

來(lái)源: 未知      瀏覽量:

  1)概述

  從2003年,我國(guó)室內(nèi)燃?xì)夤艿篱_(kāi)始使用龍崗區(qū)304薄壁不銹鋼管作為管材[1]。隨后國(guó)內(nèi)燃?xì)夤救缰貞c燃?xì)?、天津燃?xì)狻⑺拇ㄈ細(xì)?、新奧燃?xì)獾乳_(kāi)始嘗試使用薄壁不銹鋼管作為中低壓入戶(hù)燃?xì)夤艿赖墓懿?,在重慶、天津、成都、長(zhǎng)沙、深圳、佛山等地開(kāi)始試點(diǎn)使用[2-4]。

  卡壓式連接是一種新型的管道連接技術(shù),卡壓式連接采用專(zhuān)用的卡壓鉗或卡壓電動(dòng)工具對(duì)內(nèi)置密封圈的不銹鋼承口管接頭與不銹鋼管適配后,在管口處用恒定的壓力壓緊,從而起到密封和緊固作用[5]。

  卡壓式連接的原理:通過(guò)設(shè)備將管接頭和不銹鋼管在卡壓處卡壓成六角形,在六角形的六個(gè)頂點(diǎn)處產(chǎn)生抱緊力,使得管接頭緊緊固定住不銹鋼管,從而實(shí)現(xiàn)連接。薄壁不銹鋼管道卡壓式連接方式見(jiàn)圖1。

大銘不銹鋼

圖1   薄壁不銹鋼管道卡壓式連接方式

    針對(duì)不銹鋼管卡壓過(guò)程的密封性能要求,本文以DN25mm不銹鋼管為對(duì)象,采用ANSYS有限元分析軟件[6-7],建立三維模型,模擬薄壁不銹鋼管的卡壓過(guò)程,分析管接頭與不銹鋼管重合卡壓的部位(以下統(tǒng)稱(chēng)為接觸面)上接觸間隙分布狀態(tài)、管接頭與不銹鋼管的彈性應(yīng)變及塑性應(yīng)變??▔哼^(guò)程中,卡鉗和管接頭之間存在邊界摩擦,隨著管接頭與鋼管之間的接觸間隙逐漸減小,因此,整個(gè)有限元模擬過(guò)程包含了材料非線性分析、邊界非線性分析和幾何非線性分析[8]。

  2)有限元分析過(guò)程

  2.1定義單元類(lèi)型和屬性

  考慮模型具有塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、大應(yīng)變等特性,在模擬過(guò)程中選取八節(jié)點(diǎn)solid45單元建立離散化模型。

  確定材料屬性。不銹鋼管和管接頭材料均為06Cr19Ni10,該材料的密度為7930kg/m3,彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為223MPa,抗拉強(qiáng)度為520MPa。為了進(jìn)行材料的彈塑性分析,本文采用了雙線性等向強(qiáng)化材料模型[9],該材料模型多用于初始各向相同材料的大應(yīng)變分析。

  2.2創(chuàng)建幾何模型

  不銹鋼管選用GB/T19228.2—2011《不銹鋼卡壓式管件組件》中Ⅰ系列DN25mm不銹鋼管。在ANSYS建模時(shí),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,模型中沒(méi)有考慮密封圈,卡壓作用面近似為圓形而非實(shí)際的六角形。取圖1b幾何模型右半部分的1/2建立有限元模型。管接頭長(zhǎng)度為32mm,不銹鋼管長(zhǎng)度為70mm,不銹鋼管插入管接頭25mm,模型組件參數(shù)見(jiàn)表1。模型以不銹鋼管左端起始處對(duì)應(yīng)的軸心為坐標(biāo)軸原點(diǎn),x為沿軸向方向、朝右為正方向,y、z均為沿徑向方向,y軸朝紙內(nèi)為正方向,z軸朝上為正方向。x=2mm到x=6mm截面之間的管接頭外壁

  為卡壓面A,相應(yīng)的管接頭內(nèi)壁與不銹鋼管外壁為接觸面A。x=22mm到x=25mm截面之間的管接頭外壁為卡壓面B,相應(yīng)的管接頭內(nèi)壁與不銹鋼管外壁為接觸面B。由于實(shí)際卡壓過(guò)程中A處不銹鋼管容易往B處滑動(dòng),為了卡緊不銹鋼管,A處卡壓面寬度和接觸面寬度比B處大1mm。具體1/4體模型見(jiàn)圖2。

表1 模型組件參數(shù)
組件 管接頭 不銹鋼管
外直徑/mm 27.2 25.4
壁厚/mm 0.8 1.0
長(zhǎng)度/mm 32.0 76.0

   大銘不銹鋼

 圖21/4體模型

  2.3網(wǎng)格劃分

  ANSYS軟件的網(wǎng)格劃分主要有自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格和掃掠劃分網(wǎng)格。同時(shí)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)有限元的計(jì)算結(jié)果有重要影響。一般劃分網(wǎng)格離散的單元越密集、形狀近于正方形,則數(shù)值積分精度越高,計(jì)算結(jié)果越接近真實(shí)情況。但隨著網(wǎng)格單元越密集,網(wǎng)格數(shù)量多到一定程度后,則會(huì)使計(jì)算機(jī)運(yùn)算的時(shí)間太長(zhǎng)。本文為了得到更精確的網(wǎng)格劃分結(jié)果,在網(wǎng)格進(jìn)行劃分前對(duì)所選面進(jìn)行網(wǎng)格劃分控制,并設(shè)定網(wǎng)格大小,即ESIZE命令。采用掃掠劃分網(wǎng)格,SWEEP命令完成體的網(wǎng)格劃分,所建立的有限元模型包含17992個(gè)單元,26307個(gè)節(jié)點(diǎn)。管接頭和不銹鋼管網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

大銘不銹鋼

  圖3管接頭和不銹鋼管網(wǎng)格劃分

  2.4加載與求解

  在模型軸對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束,并在管接頭和不銹鋼管沒(méi)有接觸對(duì)的一端施加全約束,在卡壓面處加載48MPa的壓力載荷,然后分析有限元模型等效應(yīng)力、管接頭和不銹鋼管的彈性應(yīng)變及塑性應(yīng)變情況,以及分析卡壓結(jié)束后管接頭與不銹鋼管的接觸間隙。故需施加兩步載荷。第一步載荷為壓力載荷,第二步壓力載荷為零,保存并求解。為了保證收斂性,打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng),使用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)中較小的時(shí)間步長(zhǎng),采用線性搜索保證解的收斂性。

  3)有限元分析結(jié)果分析

  圖4為管接頭等效應(yīng)力云圖,圖5為不銹鋼管等效應(yīng)力局部放大云圖,圖中數(shù)值為等效應(yīng)力,相應(yīng)的單位為MPa。

大銘不銹鋼

  圖4管接頭等效應(yīng)力云圖

  

大銘不銹鋼

圖5不銹鋼管等效應(yīng)力局部放大云圖

 

  圖6為管接頭沿徑向Mises彈性應(yīng)變?cè)茍D,圖中數(shù)值為科學(xué)計(jì)數(shù)法形式,例如3.07E-5表示3.07×10-5,相應(yīng)的單位為MPa,圖7、8中的數(shù)值含義與此相同。由圖6可以看出,管接頭彈性應(yīng)變沿徑向逐漸增大,在接觸面(管接頭內(nèi)壁)處彈性應(yīng)變達(dá)到最大值,為0.00121,遠(yuǎn)離接觸面的左右兩側(cè)彈性應(yīng)變逐漸減小。

大銘不銹鋼

  圖6管接頭沿徑向Mises彈性應(yīng)變?cè)茍D

大銘不銹鋼

  圖7不銹鋼管沿徑向Mises彈性應(yīng)變局部放大云圖

大銘不銹鋼

  圖8不銹鋼管沿徑向Mises塑性應(yīng)變局部放大云圖

  圖7為不銹鋼管沿徑向Mises彈性應(yīng)變局部放大云圖。由圖7可以看出,不銹鋼管在卡壓處從接觸面(不銹鋼管外壁)到內(nèi)壁處的彈性應(yīng)變逐漸增大,在接觸面對(duì)應(yīng)的鋼管內(nèi)壁處彈性應(yīng)變達(dá)到最大值,為0.0014。沿接觸面左右兩側(cè)彈性應(yīng)變逐漸減小,遠(yuǎn)離接觸面部位的不銹鋼管右端彈性應(yīng)變非常小甚至無(wú)變化。

  圖8為不銹鋼管沿徑向Mises塑性應(yīng)變局部放大云圖。由圖8可以看出,不銹鋼管在卡壓處從接觸面(不銹鋼管外壁)到內(nèi)壁處的塑性應(yīng)變逐漸增大,在接觸面對(duì)應(yīng)的不銹鋼管內(nèi)壁處塑性應(yīng)變達(dá)到最大值,為0.0274。沿接觸面左右兩側(cè)塑性應(yīng)變逐漸減小,遠(yuǎn)離接觸面部位的不銹鋼管右端塑性應(yīng)變非常小甚至無(wú)變化。

  圖9為接觸面(不銹鋼管外壁)的接觸間隙云圖,圖中數(shù)值為接觸間隙,相應(yīng)的單位為mm。由圖9可知,接觸面最大間隙為1.44×10-3mm,最小間隙為0mm。接觸面B中的接觸間隙非常小,且間隙大的部位的面積占接觸面B的面積的比例也非常小,因此,接觸面B處已形成有效密封。接觸面A中的間隙較大,但是最大間隙是在接觸面A中間部位,而接觸面兩端間隙非常小,趨近于0,因此,接觸面A處已形成有效密封。

大銘不銹鋼

  圖9接觸面的接觸間隙云圖

  4)結(jié)論

  以DN25mm薄壁不銹鋼管為模型對(duì)象,采用ANSYS有限元軟件,建立三維模型,分析薄壁不銹鋼管卡壓后模型的應(yīng)力、應(yīng)變及接觸面接觸間隙,得出以下結(jié)論:

 ?、僭?8MPa的卡壓壓力下,管接頭等效應(yīng)力最大處在接觸面(管接頭內(nèi)壁)處,最大值為223MPa。不銹鋼管等效應(yīng)力最大處為接觸面對(duì)應(yīng)的不銹鋼管內(nèi)壁處,最大值為287MPa。

 ?、谠?8MPa的卡壓壓力下,管接頭達(dá)到要發(fā)生塑性變形的臨界值,但并未發(fā)生塑性變形,只發(fā)生彈性變形。不銹鋼管在接觸面處從外壁到內(nèi)壁整體都發(fā)生了彈塑性變形,塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變。

 ?、劭▔航Y(jié)束后,接觸間隙最大值為1.44×10-3mm,最大接觸間隙均出現(xiàn)在接觸面的中間部位且所占的比例較小,接觸面左右兩端接觸間隙趨近于0,故接觸面形成良好密封。

  參考文獻(xiàn):

  [1]趙庭敏.燃?xì)獗”?04不銹鋼管在高層表出戶(hù)中的應(yīng)用探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(15):63.

  [2]池愛(ài)君.薄壁不銹鋼管在室內(nèi)燃?xì)夤こ痰膽?yīng)用[J].煤氣與熱力,2009,29(8):B25-B27.

 ?。?]席冰.薄壁不銹鋼管在城鎮(zhèn)天然氣管道中的應(yīng)用[J].化工管理,2014(30):142.

 ?。?]唐文勝.薄壁不銹鋼管材及連接[J].重慶建筑,2009(3):24-26.

 ?。?]范永輝.薄壁不銹鋼管在燃?xì)夤艿乐械膽?yīng)用(碩士學(xué)位論文)[D].廣州:華南理工大學(xué),2013:15-16.

  [6]候艷惠,房進(jìn)勝.薄壁不銹鋼管道卡壓式連接在工程中的應(yīng)用[J].建筑,2011(7):70-72.

 ?。?]劉相新,孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].北京:科學(xué)出版社,2006:86-87.

 ?。?]朱浩川,姚諫.不銹鋼薄板縱向受壓的有限元模擬及受力性能[J].土木建筑與環(huán)境工程,2012,34(3):84-88.

 ?。?]常列珍,潘玉田,李魁武,等.理想彈塑性線性強(qiáng)化模型的身管殘余應(yīng)力分析[J].兵工學(xué)報(bào),2013,34(4):385-391.

        相關(guān)文章推薦

     〉關(guān)于不銹鋼水管,發(fā)達(dá)國(guó)家都不愿意透露的秘密  

 

 

 

Address / 佛山市順德區(qū)北滘鎮(zhèn)水口村水口大道工業(yè)七路3號(hào)
Phone / 189-3430-4608
中國(guó)人保財(cái)險(xiǎn)承保
CABR建設(shè)工程產(chǎn)品認(rèn)證
版權(quán)所有 佛山市大銘不銹鋼科技有限公司 備案號(hào):粵ICP備17134595號(hào)-1 地址:佛山市順德區(qū)北滘鎮(zhèn)水口村水口大道工業(yè)七路3號(hào)