基于有限元分析的直埋热水管件疲劳寿命的研究

发布时间：2020-09-10 19:31

　　目前人们对于大管径直埋敷设管道的安全性和稳定性是关注的重点,局部应力集中大的管件如弯头、三通等是管网最薄弱的环节。最新颁布的直埋规程中,对大管径直埋管件的应力分析及验算还缺乏相对应的理论依据,无法精确预判及控制管件的应力和疲劳寿命。由此,本论文主要研究大管径直埋管件的应力及疲劳寿命问题,利用ANSYS有限元分析软件对受力复杂的直管段、弯头和三通等管件进行数值模拟,模拟直埋热力管件在不同影响因素下的应力状态以及疲劳寿命情况,准确判定管件的疲劳寿命,确定直埋供热管道的优化方案。针对直埋管件的应力和疲劳寿命问题,主要做了以下几方面的工作:首先对直埋热水管道的应力准则进行详细分析,确定出更适合直埋热水管道应力计算和验算的方法和公式。以此为基础,建立直埋管道的热弹性模型理论公式、管土作用模型和直埋管道的力学模型,作为后面有限元模拟研究的理论基础。针对有限元分析软件ANSYS及模拟所用单元进行了具体介绍,论述了有限元基本理论内容,确定了热应力的模拟方法。利用ANSYS建立了直管段、弯头管段和三通管段基于接触单元的局部管沟管土作用有限元模型,理论验证了模型的正确性;对比分析了弯头管段弯头处采用管沟和直埋的热应力模拟结果;确定了三通相贯线处圆角的最优大小。利用ANSYS对弯头管段和三通管段的模拟研究,可以得出:弯头的一次当量应力和二次当量应力随内压、管径、壁厚和曲率半径的变化规律;三通的一次当量应力随内压、支管管径和三通壁厚的变化规律,二次当量应力随内压、温差、支管管径、支管长度和三通壁厚的变化规律;温度作用下的热应力产生的最大区域在弯头处变化不大,在三通处变化较大;热应力远远大于内压作用下的一次应力,内压作用对管件二次当量应力影响很小,热应力作用是影响最大应力的主要因素;通过公式验算和有限元模拟三通管段的疲劳寿命,说明了有限元法可以准确、快速的确定管件的疲劳寿命情况。最后对直埋热水管道工程实例中的直埋无补偿三通管系设计进行优化,采用局部管沟的模拟优化方案,确定了三通管系的应力薄弱区的具体位置,充分发挥了三通平行分支与Z字形的自然补偿能力,符合了工程实际中的疲劳寿命要求,为以后的直埋供热无补偿工程设计提供一定的参考价值。
【学位单位】：河北建筑工程学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU995.3
【部分图文】：

路线图,研究技术,路线,归纳总结

归纳总结出最终实际应用的结论。本文研究技术路线如图1-1。图 1-1 研究技术路线Fig.1-1 The technology roadmap figure

管道应力,变化范围,二次应力,一次应力

2.5 管道应力验算准则《城镇供热直埋热水管道技术规程》和《城镇供热管网设计规范》中规定：供热直埋管道应力验算应该采用弹塑性分析法，并按应力分类法进行区分。一次应力采用极限分析。为防止直埋供热管道发生塑性破坏，一次应力应小于管道材料屈服极限σs，增加安全系数后，则一次应力就小于材料基本许用应力[σ]。二次应力采用安定性分析。为使管道处于安定性状态，对于二次应力的当量应力应不大于 2 倍屈服极限σs，为保证其强度的安全，需增加一定安全系数，由于 3[σ]<2σs，因此二次应力强度条件采用 3[σ]，即二次应力不超过 3[σ]。峰值应力采用疲劳分析。对于一次和二次应力在局部管件不连续处产生应力集中的当量应力(峰值应图 2-1 管道应力变化范围与安定状态Fig. 2-1 range of stress variation and shakedown state of pipeline

截面图,截面图,钢管,内压环

第 2 章供热直埋热水管道应力分析与验算内压环向应力[24]： sin2sin4idiitRrPDRr ：t ——环向内压应力，MPa；R ——弯头曲率半径，m；ir ——钢管内径，m； ——弯头处某点与钢管横截面内外侧分界面的夹角，如

【参考文献】