基于ANSYS的管道變形應(yīng)力分析

趙福興　周鵬飛　錢英豪

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院）

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基于ANSYS的管道變形應(yīng)力分析

趙福興*周鵬飛錢英豪

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院蘇州分院）

摘要對(duì)某公司埋地管道受外部載荷作用發(fā)生變形這一問(wèn)題，借助于ANSYS軟件的應(yīng)力分析功能，通過(guò)施加位移載荷求出管道變形后的應(yīng)力分布，為管道的安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞管道應(yīng)力分析變形位移有限元

*趙福興，男，1967年生，工程師。蘇州市，215031。

0　引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，管道在供熱、供煤氣、給水、排水、農(nóng)業(yè)灌溉、水力工程、各種工業(yè)裝置以及長(zhǎng)距離輸送石油和天然氣中的應(yīng)用越來(lái)越廣。管道的安全與人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。為了保障管道的安全，我國(guó)從管道的設(shè)計(jì)、制造、安裝到使用，制訂了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。但管道在安裝及使用的過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)一些設(shè)計(jì)時(shí)未知的外部載荷的作用，使其發(fā)生變形。如果管道變形相對(duì)較大，這時(shí)候就需要對(duì)管道的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以此來(lái)決定管道是否可以繼續(xù)使用。由于外部的載荷往往比較復(fù)雜，導(dǎo)致管道變形也很復(fù)雜。因此，在管道的使用過(guò)程中如何對(duì)其發(fā)生的變形進(jìn)行應(yīng)力及安全性評(píng)價(jià)，成為亟待解決的問(wèn)題。

本文對(duì)某公司埋地管道受外部載荷（堆土）作用發(fā)生變形這一問(wèn)題，采用ANSYS軟件對(duì)管道的變形進(jìn)行數(shù)值模擬，以便了解管道的真實(shí)的應(yīng)力分布情況，為管道的安全評(píng)估及預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 ANSYS管道計(jì)算介紹

ANSYS是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，其公司也是目前世界上CAE行業(yè)中最大的公司。該軟件具有完備的前處理功能、強(qiáng)大的求解器、方便的后處理功能以及多種實(shí)用的二次開(kāi)發(fā)功能等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、土木工程等眾多工業(yè)領(lǐng)域及科學(xué)研究中[1]。通過(guò)ANSYS建立所求問(wèn)題的模型，劃分單元，求解有限個(gè)數(shù)值，就可以近似模擬真實(shí)環(huán)境的未知量。借助于ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析，可以清楚地了解整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布以及變形情況。

目前用ANSYS對(duì)管道進(jìn)行分析大都是基于實(shí)體單元，這主要是因?yàn)椴捎肧OLID實(shí)體單元，可以很好地模擬局部應(yīng)力分布狀況，從而對(duì)管道的局部進(jìn)行分析。但對(duì)于一根很長(zhǎng)的管道進(jìn)行整體分析，采用SOLID實(shí)體單元無(wú)疑會(huì)使計(jì)算的量非常龐大，而且難以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。為此，ANSYS針對(duì)管道中各種常見(jiàn)的情況，開(kāi)發(fā)了六種管單元，即三維彈性直管單元PIPE16、三維彈性T形管單元PIPE17、彈性彎管單元PIPE18、塑形直管單元PIPE20、塑形彎管（彎管頭）單元PIPE60以及能夠模擬海洋波浪、水流和纜索的單元PIPE59。管單元的出現(xiàn)，極大地方便了ANSYS在管道分析中的應(yīng)用。隋之鋒、郝點(diǎn)、陳海峰等人借助于ANSYS的管單元對(duì)兩端固定的水平直管、垂直L形彎管和Z形管三種典型厚壁管道在重力下的變形及應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬[2]；劉純、胡波濤等人借助于ANSYS PIPING MODELS對(duì)拔伯克動(dòng)力有限公司362.5 MW機(jī)組汽缸至除氧器抽氣管道進(jìn)行了建模和應(yīng)力計(jì)算[3]。這些研究結(jié)果均表明，管單元可以準(zhǔn)確、方便地解決管道的分析問(wèn)題。但目前基于管單元的分析還不多，許多問(wèn)題還有待進(jìn)一步探索和檢驗(yàn)。

2　實(shí)例分析

2.1問(wèn)題描述

某段天然氣高壓埋地管線（PN4.0，DN600）安裝完畢后，由于堆土導(dǎo)致管道隨土體一起發(fā)生了水平偏移，現(xiàn)需對(duì)其投用的可行性進(jìn)行分析評(píng)定。管道發(fā)生的位移（或變形）如圖1所示。

圖1　管道變形示意圖

天然氣高壓管線計(jì)算參數(shù)如表1所示。材料在計(jì)算溫度（工況）下的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表1　管線計(jì)算參數(shù)

表2　材料在計(jì)算工況下的力學(xué)性能參數(shù)

2.2問(wèn)題分析

由于堆土對(duì)管道的作用力比較復(fù)雜，無(wú)法采用施加外力載荷的方法來(lái)求解。由文獻(xiàn)[4]可以知道：對(duì)于彈性連續(xù)體的有限元，其等效節(jié)點(diǎn)力與位移，以及應(yīng)力與位移之間存在如下的關(guān)系：

式中F——作用在單元上的靜力等效力；

k——單元?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

δ——單元的節(jié)點(diǎn)位移；

F0——由初應(yīng)變引起的力。

式中σ——作用在節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力；

D——彈性矩陣；

B——單元應(yīng)變矩陣；ξ0——初始應(yīng)變。

由以上兩式可以看出，等效節(jié)點(diǎn)力與位移存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)施加位移也可以找到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。因此可采用施加位移載荷的方法來(lái)求解應(yīng)力強(qiáng)度。位移載荷可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得。為保證計(jì)算結(jié)果更加逼近實(shí)際情況，在保證測(cè)量每個(gè)變形極大值點(diǎn)的同時(shí)，應(yīng)盡量多地測(cè)量位移點(diǎn)。位移測(cè)試數(shù)據(jù)取點(diǎn)及位移量如圖1及表3所示。

表3　管道測(cè)量位移偏移量

2.3有限元分析

2.3.1模型的建立

考慮到所分析的管道為一直管，且變形較小，因此采用PIPE16彈性直管單元。如果應(yīng)力較大，超過(guò)屈服強(qiáng)度，可再考慮采用PIPE20塑性直管單元。根據(jù)表2輸入材料的彈性模量和泊松比，根據(jù)表1輸入管道的基本參數(shù)，于是即可建立幾何模型。選擇的分析標(biāo)準(zhǔn)為ASME B31.1《動(dòng)力管道》。

2.3.2施加載荷

管道兩端處施加X(jué)、Y、Z約束；管道內(nèi)表面施加壓力載荷4.0 MPa；在圖1所示的測(cè)量點(diǎn)施加位移載荷，位移量根據(jù)表3選取。

管道模型及約束載荷如圖2所示。

圖2　管道模型及約束載荷

2.3.3求解及查看結(jié)果

載荷施加完后進(jìn)入求解器進(jìn)行求解。求解完之后進(jìn)入后處理器顯示應(yīng)力分布和位移分布云圖，分別如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，其中變形圖為放大4.7倍之后的效果圖。

圖3　整體變形及應(yīng)力云圖

圖4　1段應(yīng)力及變形云圖

圖5　2段應(yīng)力及變形云圖

圖6　3段應(yīng)力及變形云圖

圖7　4段應(yīng)力及變形云圖

由以上應(yīng)力云圖可以看出：（1）管道最大應(yīng)力為343.968 MPa，小于屈服強(qiáng)度415 MPa，發(fā)生彈性變形，所以采用PIPE16彈性直管單元是合適的。（2）在管道發(fā)生突變的地方，局部應(yīng)力較大，而在管道變形比較平滑的區(qū)域，應(yīng)力較小。（3）施加位移載荷之后的變形圖基本保持與實(shí)際變形位移一致，其應(yīng)力云圖可以近似真實(shí)地反映實(shí)際應(yīng)力分布及大小。

3　結(jié)論

（1）參照GB 50251—2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2節(jié)中的地區(qū)等級(jí)劃分及強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，該段管道所屬地區(qū)等級(jí)為二級(jí)地區(qū)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)取0.6，常溫下材料的許用應(yīng)力為249 MPa，管道發(fā)生位移之后的最大Misses應(yīng)力為343.968 MPa，

大于249 MPa，所以管道強(qiáng)度要求不合格。

（2）根據(jù)以上分析，管道在突變地區(qū)局部應(yīng)力較大，而大部分管道比較平滑的區(qū)域應(yīng)力均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，所以建議對(duì)突變地區(qū)管道進(jìn)行更換和重新布管，改變受力狀況，以確保管道的安全運(yùn)行。

（3）通過(guò)ANSYS模擬的變形與堆土之后的變形情況基本一致。實(shí)例表明：借助于ANSYS強(qiáng)大的管道分析功能，可以近似真實(shí)地反映管道的變形及受力狀況，為管道的安全使用和報(bào)廢提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]余偉煒，高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[2]隋之鋒，郝點(diǎn)，陳海峰.ANSYS在兩端固定厚壁管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].貴州化工,2008（12）：34-37.

[3]劉純，胡波濤.應(yīng)用ANSYS計(jì)算汽水管道應(yīng)力[J].鍋爐技術(shù),2005（4）：31-33

[4]周昌玉，賀小華.有限元分析的基本方法及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Stress Analysis of Pipeline Deformation Based on ANSYS

Zhao Fuxing Zhou Pengfei Qian Yinghao

Abstract：On account of the buried pipeline deformation due to the external load,the stress analysis function of the software ANSYS is applied so that the stress distribution of the pipeline after the deformation is obtained by exerting displacement load,which then becomes the reference basis for the pipeline safety evaluation.

Key words：Pipeline; Stress analysis; Deformation; Displacement; Finite element

收稿日期：（2015-07-11）

中圖分類號(hào)TQ 050.2

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.012