位移荷載下橢圓度對直埋供熱彎頭應(yīng)力的影響

摘 要

摘要：基于第四強(qiáng)度理論，對DN 800 mm熱水直埋供熱彎頭，采用ANSYS有限元模擬軟件，在一定溫度荷載、壓力荷載、曲率半徑下，對彎頭兩端直臂施加不同位移荷載，模擬不同橢圓度彎頭的
    摘要：基于第四強(qiáng)度理論，對DN 800 mm熱水直埋供熱彎頭，采用ANSYS有限元模擬軟件，在一定溫度荷載、壓力荷載、曲率半徑下，對彎頭兩端直臂施加不同位移荷載，模擬不同橢圓度彎頭的應(yīng)力分布。彎頭中線處當(dāng)量應(yīng)力最大，對直臂施加的位移荷栽越大，彎頭所受當(dāng)量應(yīng)力越大。在相同溫度荷栽、壓力荷載、位移荷載下，存在某一橢圓度，使彎頭中線當(dāng)量應(yīng)力最小。相同橢圓度下，彎頭中線當(dāng)量應(yīng)力隨著位移荷載的增加而增大。當(dāng)位移荷載為50～200 mm時，當(dāng)量應(yīng)力最小值對應(yīng)的橢圓度保持在8％。
    關(guān)鍵詞：  直埋供熱彎頭 橢圓度 位移荷載 有限元模擬 第四強(qiáng)度理論
Effect of Ellipticity on Stress Directly Buried Heat-supply
 Elbow under Displacement Load
DU Baocun,WANG Fei
    Abstract：  Based on the fourth strength theory,different displacement loads are applied to the straight arms at both ends of a DN 800 mm hot water directly buried heatsupply elbow under a given temperature,pressure and radius of curvature.The stress distribution of the elbow with different ellipticities is simulated by ANSYS finite element software．The equivalent stress at the midline of the elbow is the maximum,and the bigger the displacement load applied to the straight arms,the bigger the equivalent stress in the elbowThere is a certain ellipticity under the same temperature,pressure and displacement load,which makes the equivalent stress at the midline minimum,The equivalent stress at the midline increases with the increasing of the displacement load under the same ellipticity．The ellipticity corresponding to the minimum equivalent stress retains 8% when the displacement load is 50 t0 200 mm．
    Key words:directly buried heatsupply elbow；  ellipticity,displacement load；  finite element simulation；  fourth strength theory
    對于直埋供熱彎頭，在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分析有許多報道[1-7]，但由于供熱介質(zhì)的壓力較低，因此循環(huán)溫差引起的熱位移才是彎頭破壞的主要原因。CJ/T l55-2001《高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管件》第4.1.3.3款規(guī)定彎頭的最大橢圓度不應(yīng)超過6%，嚴(yán)格限制直埋供熱彎頭的橢圓度。在增加彎頭成本的同時，對促進(jìn)彎頭的安全性有何作用，鮮有文獻(xiàn)報道。本文采用ANSYS有限元模擬軟件，分析管頂埋深為1.5m的DN 800 mm供熱直埋彎頭(橢圓度變化范圍為l%～20%)，在相同溫度荷載、壓力荷載下，彎頭應(yīng)力隨彎頭吸收不同熱位移作用的變化規(guī)律，并探討不同位移荷載下彎頭橢圓度的控制范圍。
1   有限元模型的建立
    本文選取管頂埋深為1.5m的DN 800 mm供熱直埋彎頭，鋼材(Q235)彈性模量為1.96×105MPa，線膨脹系數(shù)為12.6×10-6K-1，泊松比為0.3,基本許用應(yīng)力為125 MPa，屈服極限為235 MPa。彎頭外徑為820 mm，壁厚為l0.9mm。橢圓度的計(jì)算式為：
    不同膨脹墊塊厚度的集中基床系數(shù)見表1，集中基床系數(shù)等于基床系數(shù)乘以保護(hù)管外直徑?；蚕禂?shù)是指在膨脹區(qū)域中，鋼管、聚氨酯層、膨脹墊塊和周圍土壤的綜合硬度[8]67。膨脹墊塊厚度即軟回填厚度，隨著管道熱伸長的變化選用不同的膨脹墊塊厚度[9]。聚氨酯層厚度為60mm，土壤為砂土。
    表1  不同膨脹墊塊厚度的集中基床系數(shù)
  膨脹墊塊厚度／mm
集中基床系數(shù)／(kN·m-2)
    250
    821
    200
    990
    100
    1701
    60
    2287
    40
    2801
    在Pro/Engineer軟件中建立橢圓彎頭模型，并通過數(shù)據(jù)無縫連接的方法將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。在ANSYS軟件中對彎頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加彈簧一阻尼器單元，然后設(shè)置彎頭和土彈簧的參數(shù)，再施加荷載進(jìn)行求解。對彎頭的應(yīng)力有限元求解采用第四強(qiáng)度理論(形狀改變比能理論)，第四強(qiáng)度理論認(rèn)為形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素，無論何種應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限，材料就要發(fā)生屈服破壞。由米塞斯(Mises)公式[8]65計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力?？紤]到彎頭兩端直臂過長易降低軟件的運(yùn)算速度，因此建模時彎頭兩端直臂長度只取5 m，熱伸長量均由位移荷載代替，將位移荷載施加到直臂兩端面上。采用20節(jié)點(diǎn)的Solid95實(shí)體單元劃分彎頭與直臂，彈簧-阻尼器單元COMBINl4用于模擬管-土相互作用下的土彈簧[10]，對彎頭和直臂全部采用自由劃分后形成的網(wǎng)格方式[10]。曲率半徑1.5DN(DN為公稱直徑)、90。彎頭的有限元模型見圖1。

2  有限元模擬
    最高循環(huán)溫度為130℃，安裝溫度為l0℃，彎管內(nèi)表面施加l.6 MPa的壓力荷載。在對直臂施加不同位移荷載，以及不同橢圓度下對彎頭的當(dāng)量應(yīng)力分布進(jìn)行模擬。直臂分別施加l0、30、50、80、150、200 mm的位移荷載，橢圓度變化范圍為l%～20%。位移荷載分別為30、150mm、橢圓度為1%時的當(dāng)量應(yīng)力分布見圖2、3，各個色塊的當(dāng)量應(yīng)力范圍標(biāo)注在圖中。由圖2、3可知，彎頭中線部位當(dāng)量應(yīng)力最大。在對直臂施加不同位移荷載時，彎頭中線部位當(dāng)量應(yīng)力不同。對直臂施加的位移荷載越大，彎頭所受當(dāng)量應(yīng)力越大。
    不同位移荷載、橢圓度下彎頭中線上的當(dāng)量應(yīng)力見圖4。由圖4可知，在相同溫度荷載、壓力荷載、位移荷載下，存在某一橢圓度，使彎頭中線當(dāng)量應(yīng)力最小。相同橢圓度下，彎頭中線當(dāng)量應(yīng)力隨著位移荷載的增加而增大。當(dāng)位移荷載為50～200mm時，當(dāng)量應(yīng)力最小值對應(yīng)的橢圓度保持在8%。

3  結(jié)論   
    彎頭具有一定的橢圓度可以降低彎頭應(yīng)力，橢圓度控制在8%是合理的，若嚴(yán)格限制在6%以下，既增大成本又提高了彎頭的應(yīng)力。
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(杜保存 王飛 太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）