液态流体弯管内压分析及变壁厚弯管热推工艺研究

发布时间：2017-08-21 19:21

  本文关键词：液态流体弯管内压分析及变壁厚弯管热推工艺研究

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【摘要】：管道运输系统作为现代物流运输系统之一,广泛应用于动力、石油、天然气、化上等工业领域以及城市燃气和供热系统中,是现代运输行业的重要组成部分。实际工程中,对于工作状态下的液态流体输送弯管存在以下问题：1)从弯管内部流体的流动规律考虑：弯管内压分布不均,凸边受冲击压力较大、凹边压力较小。2)从加工工艺考虑：在加工过程中,由于弯管凸边承受拉应力而凹边承受压应力,易形成弯管凸边壁厚减薄、凹边壁厚增大的工艺缺陷。由上述问题可知：弯管高压区管壁较薄而低压区管壁较厚。因此,弯管在管道输送网络中相对薄弱,且由于年久失修等囚素,导致管道缺陷问题更加突出,故管道失效事故频发。尤其对压力管道来说,其运输介质多为高温、高压、易燃液体或气体,一旦发生事故,就会造成重大经济损失及人员伤亡。针对上述问题,本文以计算流体动力学为基础,通过CFD软件包(FLUENT)对多种工况下液态流体介质在弯管的流动情况进行数值模拟,据弯管内壁各质点压力值,通过数学拟合软件1stOpt得出弯管内压分布模型；结合塑性力学知识对弯管进行受力分析,根据强度理论对弯管进行壁厚设计；针对不同形式的牛角芯棒,确定其尺寸并进行三维设计,采用有限元软件MSC对牛角芯棒热推弯管的成形过程进行有限元模拟,以得到变壁厚等强度弯管。主要研究内容如下：1)采用FLUENT软件对不同工况下液态介质流经90°弯管时的流动情况进行数值模拟,分析弯管内压模拟结果并总结各参数(入口流速v,出 口压力P0,介质密度ρ,弯管弯曲度k,轴向角度α,环向角度β)对弯管内压的影响规律,结合弯管内壁各质点压力值,利用1stOpt拟合出弯管内压分布模型。2)据弯管内压分布模型,通过塑性力学分析并求解出内压作用下弯管的应力(轴向应力σz、环向σβ、径向应力σγ)表达式,按照第三强度理论对弯管进行壁厚设计。3)通过建立牛角芯棒三维模型(单半径椭圆截面牛角芯棒和以阿基米德螺旋线为中轴线的牛角芯棒)并选择相应的直管管坯尺寸,采用有限元软件MSC.MARC分别对两种芯棒下的热推弯管加工工艺进行数值模拟,比较两种芯棒推制出的弯管壁厚分布规律,最终得出以阿基米德螺旋线为中轴线的牛角芯棒为最佳方案。
【关键词】：液态流体弯管 内压分布 应力 壁厚 牛角芯棒
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG306
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及目的10-12
• 1.1.1 研究背景10-12
• 1.1.2 研究目的12
• 1.2 国内外研究现状、发展动态12-15
• 1.2.1 弯管内流体运动规律研究现状13-14
• 1.2.2 弯管应力分析及壁厚设计的相关研究14
• 1.2.3 弯管设计及成形工艺研究进展14-15
• 1.3 研究内容及文章创新之处15-18
• 1.3.1 研究内容15-16
• 1.3.2 本课题的特色与创新之处16-18
• 第2章 弯管内流体模型建立及数值模拟18-27
• 2.1 计算流体力学软件FLUENT简介18
• 2.2 流体计算模型的建立及网格划分18-20
• 2.2.1 建立流体几何模型19
• 2.2.2 划分网格19-20
• 2.3 基于FLUENT平台的数值模拟20-22
• 2.3.1 FLUENT模拟的基本假设20
• 2.3.2 网格单元体检测20
• 2.3.3 流体介质参数及边界条件的设定20-21
• 2.3.4 流场初始化及迭代求解21-22
• 2.4 数值模拟结果分析22-25
• 2.4.1 定义流体几何坐标22-23
• 2.4.2 流体数值模拟结果图像分析23-24
• 2.4.3 流体数值模拟结果数据分析24-25
• 2.5 本章小结25-27
• 第3章 参数变化对弯管内压的影响及弯管内压公式的建立27-46
• 3.1 建立弯管内压分布预测模型27
• 3.2 弯管内压向量方程的建立27-29
• 3.2.1 极坐标系中弯管内压P与α,β的关系转换28
• 3.2.2 弯管内压向量方程28-29
• 3.3 弯管几何尺寸对弯管内压的影响29-34
• 3.3.1 弯管内径d对弯管内压强的影响30-32
• 3.3.2 弯曲度κ变化对弯管内压分布的影响32-34
• 3.4 弯管内壁各质点几何位置与弯管内压的关系34-35
• 3.5 流动参数变化对弯管内压的影响35-43
• 3.5.1 流体出口压力P_0对弯管内压的影响35-37
• 3.5.2 流体介质密度ρ对弯管内压的影响37-40
• 3.5.3 流体入口速度v对弯管内压的影响40-43
• 3.6 弯管内压公式的建立及计算精度的验证43-44
• 3.6.1 弯管内压公式的建立43
• 3.6.2 弯管内压公式计算精度的验证43-44
• 3.7 本章小结44-46
• 第4章 90°圆形弯管应力分析及壁厚设计46-64
• 4.1. 弯管应力分析46-59
• 4.1.1 弯管环向应力σ_β分析46-50
• 4.1.2 弯管轴向应力σ_z分析50-52
• 4.1.3 弯管径向应力σ_r分析52-56
• 4.1.4 弯管应力表达式的验证56-59
• 4.2 弯管壁厚设计59-63
• 4.2.1 弯管强度理论的选择59-60
• 4.2.2 弯管壁厚公式设计60-63
• 4.3 本章小结63-64
• 第5章 牛角芯棒设计及尺寸优化64-77
• 5.1 引言64
• 5.2 牛角芯棒的选择64-66
• 5.2.1 牛角芯棒的结构组成64-65
• 5.2.2 牛角芯棒的分类及选择65-66
• 5.3 牛角芯棒热推弯管数值模拟66-69
• 5.3.1 有限元模型的建立及网格划分66-67
• 5.3.2 基于MSC软件的热推弯管工艺模拟过程67-69
• 5.4 以阿基米德螺旋线为中轴线的芯棒设计及有限元模拟69-73
• 5.4.1 以阿基米德螺旋线为中轴线的芯棒设计69-71
• 5.4.2 以阿基米德螺旋线为中轴线的芯棒热推工艺有限元模拟71-73
• 5.5 椭圆截面芯棒设计及有限元模拟73-76
• 5.5.1 椭圆截面芯棒设计73-75
• 5.5.2 椭圆截面芯棒热推上艺有限元模拟75-76
• 5.6 本章小结76-77
• 第6章 总结与展望77-79
• 6.1 本文主要结论及意义77-78
• 6.2 有待进一步解决的问题78-79
• 参考文献79-84
• 致谢84-85
• 攻读硕士学位期间论文发表情况85

【参考文献】

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本文编号：714664