基于APDL点蚀缺陷弯管塑性极限载荷分析 APDL, 塑性极限, 载荷分析, 点蚀, 缺陷

kuchuan

基于APDL点蚀缺陷弯管塑性极限载荷分析
           舒安庆  刘小丽   魏化中
        （武汉工程大学,机电工程学院,武汉市压力容器压力管道安全工程研究中心,武汉市, 430073）

        摘要： 本文借助ANSYS软件强大的参数化设计语言(APDL),构建了弯管参数有限元模型，通过改变弯管的外径(D) 、外内径比(K) 、弯曲半径和内径比(I) 、点蚀深度(H)等参数，建立任意含点蚀缺陷弯管的有限元模型，利用宏文件和缩写功能将弯管的前处理、边界条件、后处理过程做成不同的模块程序在Toolbar上生成按钮进行弯管模块程序的调用，实现弯管分析流程的过程控制。在此基础上详细地研究了不同弯管参数对它的塑性极限载荷的影响，对燃气管道的分析及使用安全具有一定的参考价值。
关键词：燃气弯管；APDL； 点蚀缺陷 ； 塑性极限载荷

1. 前言
        燃气管道的弯管由于制造工艺、腐蚀及机械损伤等多种因素影响，使点蚀成为较为常见的缺陷，往往成为管线中的应力集中部位，是燃气管道的薄弱环节。其设计一般采用传统的设计方法，即要求结构内的最大应力小于材料的许用应力。但在实际应用中，为了充分发挥管道的承载能力，允许管道发生局部的塑性变形，因此可以利用塑性极限载荷对其进行设计和评估，以达到延长使用周期、降低维护费用的目的。
        目前，塑性极限载荷的研究多集中在压力容器方面，管道方面的研究不多。谭开忍、肖熙[1]主要研究了管道的直管段塑性极限载荷，郭茶秀等[2]从理论上对无缺陷弯管的塑性极限载荷进行了分析，段志祥，沈士明[3]主要对外拱外壁局部减薄弯管的极限载荷进行了理论与试验研究，舒安庆曾[4]研究了腐蚀缺陷的长度、宽度和深度对燃气直管道极限载荷地影响，并依参考国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心，在役含缺陷压力管道安全评定关键技术研究专题分项报告含局部减薄缺陷压力管道安全评定方法研究[5]。本文利用ANSYS软件，建立了含点蚀缺陷弯管的参数化有限元模型，详细地研究了单一内压作用下不同点蚀深度和宽度及弯管几何尺寸对弯管的塑性极限载荷的影响。
2. 含点蚀缺陷弯管的有限元模型建立
        APDL（ANSYS PARAMETRIC DESIGN LANGUEAGE）是一种类似FORTRAN的解释性语言，利用APDL和宏文件就可以实现参数化建模，施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。文中对含点蚀缺陷弯管进行分析，其模型涉及的参数较多，如果界面的操作方式不同都要分别建立模型，过程极为繁琐，此时APDL就显示了其强大的功能，通过APDL建立一个参数化模型，分析时只需改变相应的参数就生成需要的模型，方便快捷的对其进行分析，并且更利于后期工作的进一步开展。有限元分析包括有限元模型的建立、边界条件的加载、求解以及结果处理过程，以下将以此为依把弯管的分析过程分成四个模块进行处理。
        2.1 建立有限元模型
        实际的弯管结构形式很多,本文依据徐思浩[6]对90度管弯头的应力分布，采用工业上常用的90°钢制等厚弯管为研究对象,假定弯管的点蚀缺陷位于弯管中间的内拱内表面部位，并且为了降低分析的难度，将点蚀缺陷简化为半球性和柱体的连接。由于弯管是对称结构，为了简化模型、节省计算时间，取二分之一模型进行建模，并且采用多参数输入对话框以方便后面的模块按钮的制作。假设弯管外径和内径的比为K, 弯曲半径和内径的比为I，点蚀缺陷的深度为H，点蚀缺陷的宽度为R，则在ANSYS定义各参数的窗口如图1所示。
       
        设弯管的外径D0=200mm，建立含点蚀缺陷的弯管模型，并用四面体单元对其进行网格划分，生成的有限元模型如图2所示。
       
        文中材料选取方面不考虑实际材料的性能和强化，假设弯管材料为理想弹塑性材料，并假设塑性强化模式为双线性随动强化，其材料系数列于表1。
表1 材料的特性
Table.1. The material character
材料        弹性模量/M Pa
E/M Pa        泊松比
        屈服强度/M Pa
/M Pa        切线模量/M Pa
G/M Pa       
steel        2.0×105        0．28        300        0       
        对于管线，当应力超过屈服强度后，材料的特性成非线性关系。所以本论文中考虑了材料的非线性，采用真实应力应变表征材料性质, 如图3.
       
        图3  材料应力应变曲线
         Fig.3. Material stress-strain curves
2.2 定义边界条件
        准确地施加边界条件是有限元分析中十分关键的一步，它直接决定求解结果的正确性与准确度。根据初始条件，对图2有限元模型施加内压载荷和对称约束。在1/2对称面上给对称约束；在管子的左端支撑面加X方向的约束，在左侧上端施加Y方向约束；在管道的内表面施加压力载荷P；管道下端面施加等效压力载荷为：
        P1=P/(K2-1)                                                （1-1）
2.3 求解及后处理
        理论极限载荷为结构达到极限状态时所对应的载荷，在此载荷作用下结构变形将无限增大，从而失去承载能力。而工程上，一般认为结构发生显著的塑性变形的对应的载荷为其塑性极限载荷。用增量弹性有限元法求解极限载荷，把载荷的增量不再增加或增加很少而位移急剧增加时的载荷作为极限载荷。施加边界条件后，进入solution,设置求解参数，打开Newton—Rapson算法，用弧长控制的自适应进行求解，得到最后一步的载荷即为所求的塑性极限载荷，应力云图如图4所示。
2.4 模块按钮的定义
        利用ANSYS软件的工具条中按钮，可以进行快捷方便的操作，本文分析的情形较多，利用Toolbar功能可以把前面的各个模块封装起来，把前面的过程分别定义为： MODEL. MAC,LOAD.MAC,SOLVE.MAC, POSTPROC.MAC等宏文件，通过命令*ABBR分别定义为建立模型(MODEL)、边界条件(LOAD)、后处理(POSTPROC)等按钮，单击按钮就可以执行相应的模块命令从而实现模块分析，图5为定制的工具条。
3. 计算结果分析
        在前面工作的基础上，通过改变部分参数对含点蚀缺陷的燃气弯管进行有限元计算分析。图6-9为在其他参数不变的情况下，分别改变点蚀的尺寸，如点蚀缺陷的宽度（R）、点蚀缺陷的深度（H）以及弯管尺寸，如弯管弯曲半径和内径的比（I）、弯管外径和内径的比（K）得到对应的极限塑性载荷N。

图6 R—N 曲线图                               图7 H—N 曲线图
D0=200mm、I=1、k=1.2、H=10mm           D0=200mm、I=1、k=1.2、R=2mm
Fig.6.  Relation between R and N curve diagra     Fig.7.  Relation between H and N curve diagram           

图8 I—N 曲线图                               图9 K—N 曲线图
D0=200mm、R=2mm、k=1.2、H=4mm               D0=200mm、R=2mm、I=1、H=4mm
Fig.8.  Relation between I and N curve diagra     Fig.9.  Relation between K and N curve diagram   
        由图6至7分析可知，当其它参数不变的情况时，随着点蚀缺陷半径和深度的增大，弯管的极限载荷减小，但不是很显著；由图8至9分析可知，当其它参数不变的情况时，随着外内径比和弯曲半径与内径比值的增大，弯管的极限载荷显著增大。
4．结束语
        本文利用APDL对含点蚀缺陷的燃气弯管参数化建模，实现了弯管分析流程的过程控制；并简洁地分析不同几何参数的点蚀及弯管对其塑性极限载荷的影响。结果表明弯管的结构尺寸比点蚀缺陷的几何尺寸对弯管的极限载荷影响较大。

文献参考
[1] 谭开忍，肖熙.含有腐蚀缺陷海底管道极限载荷分析.海洋工程.2006.8: 63-75
[2] 郭茶秀等. 弯管塑性极限载荷分析.石油化工设备.2001.11:8-11
        [3] 段志祥，沈士明.内压作用下局部减薄管道塑性极限载荷分析与试验研究[J].压力器,2005,22(05):1-3
        [4] 舒安庆，王韦华，魏化中.含腐蚀缺陷燃气管道极限载荷的有限元分析.石油化工设备术.2008.29:16-18
        [5] 国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心，在役含缺陷压力管道安全评定关键技术研究专题分项报告含局部减薄缺陷压力管道安全评定方法研究，专题编号 :96-918-02-03，资料编号:03-02,2000，北京.
[6] 徐思浩，90度管弯头的应力分布，化工设备与管道，2001.4: 38-39
       
Plastic limit load analysis of the  pipeline elbow with point Crack Based on APDL
        SHU Anqing LIU Xiaoli  WEI Huazhong
        (Wuhan Research Center of Pressure Vessel and Pipeline Safety Engineering, School of Mechanical Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073)
       
Key words:   gas pipeline；  APDL；   point Crack；  Plastic limit load

Abstract:  In this paper, using ANSYS software powerful parametric design language (APDL), the construction of the finite element model parameters elbow by changing the pipe diameter (D), the diameter ratio (K), the bending radius and diameter ratio (I), Pitting depth (H), and other parameters, including the establishment of any defects Bend pitting the finite element model, using documents and Abbreviations Acer will be the first bend with boundary conditions, made after processing procedures in different modules on the Toolbar Generation button Bend module procedures call, the process of achieving elbow process control. On the basis of these, the  study about the effects on plastic limit load with different parameters of the pipeline elbow has been reseached,which has reference value for the design and using of the gas pipeline .

作者简介：
舒安庆(小灵通027-63725161、 13554342282、邮箱 ：aqsh66@126.com 邮址 ：武汉工程大学机电工程学院   430074)
        男，1964年6月生，副教授，硕士生导师，化工过程机械省级重点学科学术骨干，机械工程学院副院长。1987年天津大学化工设备与机械专业本科毕业，1994年获天津大学化工过程机械专业毕业获工学硕士学位。湖北省机械工程学会青年分会副理事长，湖北省化工学会会员，武汉市压力容器压力管道安全工程研究中心技术委员会委员。现主要从事压力容器压力管道、新型高效过程装备及仿真技术研究。
刘小丽（1982-）女（汉），陕西商洛，2005年毕业于武汉工程大学过程装备与控制工程专业，获学士学位。现在武汉工程大学化工过程机械专业读硕士研究生。
邮箱：liuxli2001@126.com电话：15926294913