基于ANSYS的大型高壓隔膜泵液力端彎管的強(qiáng)度分析與校核

摘 要：彎管是大型高壓隔膜泵液力端的關(guān)鍵部件之一，在液力端分別與進(jìn)料閥和隔膜室相連接。在彎管的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮彎管所受螺栓力以及內(nèi)腔流體壓力等因素，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，以確保隔膜泵液力端在使用現(xiàn)場(chǎng)的安全性和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率。本文以煤化工用大型高壓隔膜泵液力端彎管為例，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)ASMEⅧ-2對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行校核，分析結(jié)論對(duì)彎管及同類(lèi)承壓部件的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：大型高壓隔膜泵 彎管 結(jié)構(gòu)改進(jìn) ANSYS

中圖分類(lèi)號(hào)：TH323文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098x（2013）04（c）-0085-02

大型高壓隔膜泵作為固-液兩相介質(zhì)輸送的關(guān)鍵設(shè)備，在冶金、石油化工和長(zhǎng)距離管道輸送等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[1]。大型高壓隔膜泵液力端主要由隔膜室、腔體、油缸和彎管等關(guān)鍵部件所組成。其中，彎管由于受到內(nèi)腔壓力和裝配螺栓力的雙重作用，使其在彎管局部位置處產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，在液力端彎管的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核，以確保其能夠滿足設(shè)計(jì)要求以保證其在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。該文采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)大型高壓隔膜泵液力端彎管進(jìn)行應(yīng)力分析，參考ASMEⅧ-2對(duì)應(yīng)力分析結(jié)果分類(lèi)并進(jìn)行強(qiáng)度校核，以此為基礎(chǔ)對(duì)彎管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)和降本增效的目的，其分析結(jié)論對(duì)高壓隔膜泵液力端彎管及類(lèi)似承壓容器的設(shè)計(jì)與改造具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 大型高壓隔膜泵彎管強(qiáng)度分析

1.1 彎管的幾何模型與邊界條件

采用三維幾何建模軟件SolidWorks繪制得到大型高壓隔膜泵液力端彎管的三維幾何模型如圖1所示，彎管所用材質(zhì)為ZG20Mn，其機(jī)械性能為σb=510 MPa，σs=295 MPa。使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)彎管進(jìn)行強(qiáng)度分析，進(jìn)而對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

采用專(zhuān)用前處理軟件對(duì)大型高壓隔膜泵液力端彎管三維幾何模型進(jìn)行前處理，由于該模型為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為了降低計(jì)算規(guī)模、提高求解效率，在前處理過(guò)程中僅對(duì)1/2幾何模型進(jìn)行分析[2]。在彎管前處理過(guò)程中應(yīng)修正對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大的細(xì)節(jié)，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中應(yīng)將曲率較大和易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，單元形式選用三維四面體單元，單元類(lèi)型為Solid45；共得到節(jié)點(diǎn)43620個(gè)，單元35362個(gè)。

根據(jù)彎管的實(shí)際受力情況定義有限元分析的邊界條件如下：根據(jù)隔膜泵液力端彎管的實(shí)際螺栓力將其加載到螺栓孔內(nèi)表面；將工作壓力加載到彎管內(nèi)腔；彎管底面和模型對(duì)稱(chēng)面定義約束（如圖2所示）。

1.2 彎管的強(qiáng)度分析與校核

2 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)ASMEⅧ-2中對(duì)不同路徑下的不同類(lèi)型應(yīng)力線性化結(jié)果進(jìn)行校核可知，該彎管的強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）根據(jù)對(duì)該種結(jié)構(gòu)隔膜泵彎管強(qiáng)度分析結(jié)果可以得到最大應(yīng)力值和最大變形值產(chǎn)生的位置，分析結(jié)果可作為該種結(jié)構(gòu)彎管結(jié)構(gòu)改進(jìn)、改善應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形的參考依據(jù)。

（3）從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降本增效的角度對(duì)該結(jié)構(gòu)彎管進(jìn)行改造，降低彎管壁厚5 mm，依照上述方法對(duì)彎管進(jìn)行強(qiáng)度校核，仍能滿足設(shè)計(jì)要求，因此采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)高壓隔膜泵彎管進(jìn)行應(yīng)力分析并應(yīng)用ASME應(yīng)力評(píng)定體系校核的方法對(duì)確保設(shè)備安全性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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