不锈钢螺旋筋瓦斯抽放管的优化设计

发布时间：2017-09-26 15:40

  本文关键词：不锈钢螺旋筋瓦斯抽放管的优化设计

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【摘要】：瓦斯抽放技术对于煤矿瓦斯安全、瓦斯资源利用和环境保护有重要意义，在煤矿企业中得到广泛应用。其中，瓦斯抽放管道的铺设是一项复杂、重要的工作。随着抽放技术的不断发展，瓦斯抽放管道也经历了钢管、玻璃钢管、塑料管、骨架增强塑料管和覆层螺旋波纹钢管的不断改进。这些管道还是存在各自的不足，瓦斯管道的基本要求包括：阻燃、抗静电、塑性好、强度高，除此之外还需要成本低、质量轻、耐腐蚀等。近几年来又出现了一种新的瓦斯抽放管道，它采用不锈钢材料生产，满足了瓦斯抽放对于管道性质的各种要求，并已经得到推广应用。 对这种不锈钢材料的瓦斯抽放管的设计，主要采用增加加强筋、减小管壁厚度的方法，这种方法广泛应用于一些薄壁结构中。考虑到生产工艺是将不锈钢带螺旋卷曲焊接成型，所以采用螺旋形的加强筋。因此螺旋筋结构的设计及它对提高管道强度的影响成为这种瓦斯管道推广使用的关键问题，这也是本文研究的主要内容。 这种管道的失效形式主要是屈曲失稳，所以着重介绍了相关薄壁管壳屈曲的一些基本理论和研究方法。宏观角度根据能量法理论，外载荷对管壳所作的功转化为管壳的应变能，应变能的大小与管壳的变形状态有关。微观角度根据薄壁构件稳定理论，施加在管壁上的应力状态由单纯的正应力平衡状态越变为以弯曲应力为主的新的平衡状态。可以通过理论公式计算无筋圆柱壳在各种外压下的临界失稳载荷大小，作为参照与加筋管壳对比。增加螺旋筋改变了管壳原来的截面形状，截面惯性矩发生改变，不能按照理论公式来计算管壳的临界失稳载荷，可以借助有限元分析软件来对不规则模型进行屈曲分析仿真和参数优化。 建立不同类型螺旋筋、不同长度的理论模型，采用壳单元对模型进行网格划分，参考实际情况定义模型的约束边界条件和载荷情况，由简单到复杂逐步分析其失稳特点。第一步分析在受到侧向（径向）外压时的屈曲变形，建立几种管壳的模型分别进行特征值屈曲分析，并对某个节点添加初始缺陷（几何、材料）进行非线性分析，最后对多个变量进行目标优化来确定其壁厚参数能达到的最小值。第二步分析在受到轴向外压时的屈曲变形，选择不同长度、不同类型管壳结构，，多方面综合交叉比较，得出壁厚、长度和螺旋筋等因素与其轴向临界载荷大小的关系。第三步分析在同时受到侧向和轴向的外载荷时管壳的屈曲变形，绘制不同长度管壳的侧向临界载荷与轴向载荷的变化曲线。 通过分析得出：螺旋筋能提高管壳的侧向失稳载荷（环刚度）3倍以上,优化分析219mm直径加筋管壳的厚度为0.6mm即可满足规定安全系数的要求；螺旋筋改变了管壳的变形状态，管壳受到轴向载荷时，螺旋筋的增加会降低其临界载荷值；轴向临界载荷随长度的增加先逐步增大再急剧减小，最大值总是在模型发生整体变形和局部变形的临界点上；同时受轴向和侧向载荷时，轴向载荷在安全值以内时侧向临界载荷值下降缓慢，超过安全值后急剧下降，轴向载荷大小要控制在安全值以内。
【关键词】：瓦斯抽放管 螺旋筋 薄壁管壳 外压 屈曲分析 参数优化
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.63
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 概述12-20
• 1.1 前言12
• 1.2 瓦斯抽放管的发展12-14
• 1.3 不锈钢螺旋焊管加工过程简介14-15
• 1.4 课题研究的目的和意义15-17
• 1.5 课题研究的方法和内容17-20
• 1.5.1 基本设计规范17
• 1.5.2 设计基本要素17-19
• 1.5.3 课题研究内容19-20
• 第二章 薄壁构件稳定理论基础及 ANSYS 屈曲分析简介20-30
• 2.1 薄壁管壳构件侧向外压稳定理论基础20-21
• 2.1.1 基本假设20
• 2.1.2 无力矩理论20
• 2.1.3 临界载荷20-21
• 2.2 薄壁管壳构件轴向外压稳定理论基础21-24
• 2.3 ANSYS 稳定性分析（屈曲分析）的有限元法24-29
• 2.3.1 屈曲分析简介24-26
• 2.3.2 特征值屈曲分析步骤：26-28
• 2.3.3 非线性特征值分析步骤28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 螺旋筋薄壁管道侧向外压稳定性分析30-46
• 3.1 外压失稳数值分析方法30-32
• 3.2 前处理32-35
• 3.2.1 几何参数建模32-33
• 3.2.2 材料属性33-34
• 3.2.3 单元类型选择34
• 3.2.4 边界条件及约束34-35
• 3.3 特征值屈曲结果分析35-38
• 3.4 非线性分析38-40
• 3.4.1 几何非线性分析38-39
• 3.4.2 材料非线性分析39-40
• 3.5 优化设计40-44
• 3.5.1 理论分析40-41
• 3.5.2 优化设计41-44
• 3.5.3 优化结果44
• 3.6 本章小结44-46
• 第四章 螺旋筋薄壁管道的轴压稳定性分析46-60
• 4.1 轴压失稳数值分析方法46-49
• 4.2 管道在轴向载荷下长度对稳定性的影响49-56
• 4.2.1 300mm 管道的轴向失稳分析49-52
• 4.2.2 960mm 管道的轴向失稳分析52-54
• 4.2.3 1500mm 管道的轴向失稳分析54-56
• 4.3 管道在轴向载荷下厚度对稳定性的影响分析56-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第五章 侧向与轴向载荷共同作用下的稳定性分析60-74
• 5.1 管壳在侧向与轴向力共同作用的失稳分析60-61
• 5.2 几种长度的无筋管道在混合载荷作用下的失稳分析61-67
• 5.2.1 300mm 无筋管道的失稳分析62-63
• 5.2.2 960mm 无筋管道的失稳分析63-65
• 5.2.3 1500mm 无筋管道的失稳分析65-66
• 5.2.4 极限载荷与长度的关系66-67
• 5.3 几种长度的三角形筋管道在混合载荷作用下的失稳分析67-71
• 5.3.1 300mm 加筋管道的失稳分析67-68
• 5.3.2 960mm 加筋管道的失稳分析68-69
• 5.3.3 1500mm 加筋管道的失稳分析69-71
• 5.3.4 极限载荷与长度的关系71
• 5.4 本章总结71-74
• 第六章 总结与展望74-76
• 6.1 总结74
• 6.2 展望74-76
• 参考文献76-82
• 致谢82-83
• 攻读硕士期间发表的学术论文83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 毛佳;江振宇;陈广南;张为华;;轴压薄壁加筋圆柱壳结构优化设计研究[J];工程力学;2011年08期

2 龙连春;赵斌;陈兴华;;薄壁加筋圆柱壳稳定性分析及优化[J];北京工业大学学报;2012年07期

3 谭福颖;乔玲;韩晓林;;基于广义梁理论的薄壁圆柱壳稳定性分析[J];东南大学学报(自然科学版);2013年05期

4 陈玉振;陈亚峰;;薄壁箱型结构仿真与实验稳定性分析[J];电子机械工程;2013年05期

5 韩春鸣;张红卫;刘岑;胡成龙;刘兵;刘小宁;;钢制薄壁圆筒外压试验压力的研究[J];河北科技大学学报;2009年04期

6 万力,陶伟明,吴莘馨,何树延;由初始几何缺陷引起的薄壁压力容器在内压作用下的局部非线性屈曲[J];核动力工程;2004年05期

7 刘小宁;外压试验时薄壁圆筒临界失稳强度的模糊可靠度[J];化工机械;2005年01期

8 谢全利;;压力容器稳定性分析[J];化工设备与管道;2009年02期

9 刘小宁;钢制薄壁外压圆筒的可靠性稳定系数[J];化工设计;2003年03期

10 刘小宁;;基于可靠度分析的外压薄壁圆筒稳定系数[J];石油和化工设备;2005年06期

本文编号：924361