doi:10.16576/j.cnki.1007-4414.2020.01.001
基于AnsysWorkbench的水压压力试验装置的静力学分析
刘 源ꎬ雷泽勇ꎬ钟 林ꎬ张清华ꎬ孟文东
(南华大学机械工程学院ꎬ湖南衡阳 421001)
∗
摘 要:依据实际生产环境要求设计出一种可以模拟3MPa水压环境的压力试验装置并确定出实验装置的工作原理、机械结构、材料和安装形式ꎮ按照GB150«压力容器»的相关要求ꎬ完成水压压力试验装置的结构设计和强度校核算ꎬ利用SolidWorks软件建立压力容器的三维模型ꎬ采用有限元设计方法(FEA)ꎬ使用AnsysWorkbench软件进行静力学分析ꎬ验证了该试验装置的安全性和可行性ꎬ为组合式的水压压力容器的设计提供了思路和校验依据ꎮ关键词:水压压力试验装置ꎻ压力容器ꎻ设计校核ꎻ静力学分析
中图分类号:TH137 文献标志码:A 文章编号:1007-4414(2020)01-0001-03
(SchoolofMechanicalEngineeringꎬUniversityofSouthChinaꎬHengyangHunan 421001ꎬChina)
Abstract:Accordingtotheactualproductionenvironmentrequirementsꎬthispaperdesignsapressuretestdevicethatcansimulatethe3Mpawaterpressureenvironmentanddeterminestheworkingprincipleꎬmechanicalstructureꎬmaterialandin ̄stallationformoftheexperimentaldevice.AccordingtotherelevantrequirementsofGB150\"PressureVessel\"ꎬthestructuraldesignandstrengthcheckcalculationofthehydraulicpressuretestdevicearecompleted.The3Dmodelofthepressurevesselandverificationbasisfordesignofthecombinedhydraulicpressurevessel.
isestablishedbyusingtheSolidWorkssoftware.Thefiniteelementdesignmethod(FEA)isusedtoconductthestaticanalysiswiththeAnsysWorkbenchsoftwareꎬsoastoverifythesafetyandfeasibilityofthetestdeviceꎬwhichwouldprovidetheideasKeywords:hydraulicpressuretestdeviceꎻpressurevesselꎻdesigncheckꎻstaticsanalysis
StaticAnalysisofHydraulicPressureTestDeviceBasedonAnsysWorkbenchLIU YuanꎬLEIZe-yongꎬZHONG LinꎬZHANGQing-huaꎬMENGWen-dong
0 引 言
术ꎬ并得到了广泛应用[1]ꎮ根据地浸采铀矿山的地300mꎬ在最低位处的水压约为3MPaꎬ在地浸采铀生产过程中ꎬ会将相关设备及元器件放入开采井中ꎬ因此在设备及元器件在放入开采井之前开展相关的耐水压实验是十分有必要的ꎮ
供水压测试环境[3]ꎬ国内、外对此也展开的了大量的研究工作ꎬ美国国家锻造公司已具备生产100MPa压力罐的制造能力ꎬ我国的上海交通大学也研制出了可实现40MPa环境压力的试验装置ꎬ其内径为1m[4]ꎮ但是大多数水压模拟装置尺寸都较大ꎬ对实验场地有较高的要求ꎮ笔者针对地浸采铀开采井生产中所需要的设备研发设计一种小型的水压压力试验装置ꎬ并利用AnsysWorkbench对关键部件(压力容器)进行静力学分析ꎬ确保压力容器设计的可行性和
水压压力试验装置主要为各种设备及元器件提质环境ꎬ钻孔平均深度为430m[2]ꎬ浸出液深度约有
地浸采铀是一种于1958年提出的铀资源开采技
1 水压压力试验装置的基本结构和工作原理
1.1 水压压力试验装置的基本结构
水压压力试验装置结构如图1所示ꎬ该装置主要由上法兰盖1、管法兰2、设备连接座3、无缝钢管4、压力入口5ꎮ
安全性ꎮ
图1 水压压力试验装置
1.2 水压压力试验装置的工作原理
水压压力试验装置先利用通过液压管路将压力
∗收稿日期:2019-10-16
基金项目:国家核能开发项目:高效数字化监测系统研究(编号:2018GHN01)ꎮ
作者简介:刘 源(1992-)ꎬ男ꎬ湖北黄冈人ꎬ在读硕士研究生ꎬ研究方向:铀矿装备与核动力机械ꎮ通讯作者:雷泽勇(1962-)ꎬ男ꎬ湖南衡阳人ꎬ教授ꎬ研究方向:铀矿装备与核动力机械ꎮ
1
研究与试验 传递至压力入口1到达压力容器内部ꎬ使整个内部环境压力达到试验压力ꎬ达到试验压力后ꎬ压力容器中的无缝钢管4用来保持整个压力容器的内部压力维持在试验压力ꎬ因此承受内压ꎮ设备连接座3主要保护测试设备及元器件电气接口处的密封性ꎬ钢管内部压力必须与压力容器中的压力腔隔离ꎬ因此主要承受的外压ꎮ
2020年第1期(第33卷ꎬ总第165期)机械研究与应用献[7]的方法进行校核ꎬ首先判读该外压无缝钢管是否为短圆筒ꎻ长度L若小于临界长度Lc则为短圆筒否则为长圆筒ꎮ其临界长度计算公式为:
Lc=1.17DoDo/δe
表2 无缝钢管参数
名称外压无缝钢管
材料06Cr19Ni10
长度L外径Do220
42
(3)
/mm
壁厚δ5
2 无缝钢管参数的计算确定
2.1 内压无缝钢管的参数的计算确定
由于无缝钢管5主要承受内压属于压力容器ꎬ需按照GB/T150-2011«压力容器»的要求来确定无缝钢管MPaꎬ5缝钢管选择流体运输用不锈钢无缝钢管钢管外径为的规格参数Dꎮ已知条件为长度为:工作压力1P=3o=219mmꎬ-(500GBmmꎮ无大压力2012)ꎬP材料牌号为=3MPaꎬ取安全系数为06Cr19Ni10ꎮ1.3ꎬ该装置的工作最/T14976得到设计压力P于地浸采铀矿井的平均深度有c=1.3×3=3.9MPaꎬ取整后设计压力430mꎬP通过查阅相关c=4MPaꎻ由文献[5]℃06Cr19Ni10ꎬ取试ꎬ地下验工0作~温1000度m范围内水的温度在0~25的许用应力[时σꎬ]查文献范围为0~25℃ꎬ当材料为
t用的焊接方式为单面焊对接焊=137[6]MPaꎬ得到该材料在设计温度下
该无缝钢管与法兰盖采
ꎬ采用局部无损检测ꎬ焊接接头系数φ=0.8ꎬ则钢管计算厚度δPc为:
δc=
cDt
o
将数据代入公式2[σ]φ+Pc
(1)
3.92mmꎬ向上取整为(1)4mmꎬ得到无缝钢管的壁厚约为
=1.5mmꎬ加上钢板的腐蚀余量Cδ则无缝钢管的设计壁厚δ:
1δd为d=c+C1=4+1.5=5.5mm
(2)
GB由于钢管在生产过程中会存在制造公差ꎬ按照钢管的名义厚度/T14976-2012δ取负偏差为7mmꎬC则得到的外压无缝钢管2=0.75mmꎬ选定无缝的规格参数如表1所列ꎮ
表1 无缝钢管参数
/mm
名称材料长度L外径Do壁厚δ内压无缝钢管
06Cr19Ni10
1500
219
7
2.1 外压无缝钢管参数的校核计算
外压无缝钢管管内放有耐压水密连接器、设备电气接口及电缆ꎬ由于内部空间的ꎬ外压无缝钢管的规格参数如表2所示ꎮ
承受外压的无缝钢管的失效形式主要分为强度失效和失稳ꎬ因此有必要对受外压的无缝钢管按照文2
其中钢管外径D度δo=42mmꎬ壁厚δ=5mmꎬ有效厚
e等于壁厚减去腐蚀余量CT14976取值为1.5ꎬ制造负1和制造负偏差C蚀余量C偏差C2ꎬ腐12按照GB/-(3)C-2012的要求取值为0.625ꎬ则有效厚度δe=δ1-则该外压无缝钢管为长圆筒中得到C2=5-L1.5187.82-0.625mmꎬ=2.875长度mmꎬ将数据代入公式c=ꎻ确定为长圆筒后依照公L=220mm大于Lcꎬ式(4)判断其是否为弹性失稳ꎮ其满足弹性失稳的判定公式为:
δ<æç
[σ]t
ö
÷0.5
D(4)
其中设计温度下的许用应力为o-2δè1.1Eø
[σ]t弹性模量E=204000MPaꎬ将数据代入公式=137(4)MPaꎬ后ꎬ其结果不满足弹性失稳的条件后按照GB150的图算法对齐校核ꎬ求出其许用压力值[P]ꎮ其许用压力公式为:
[P]=
DBo/δ[计要求P]=外压计算应力系数e
(5)
10.06ꎮ
MPa大于实际试验压力B=147MPaꎬ3求得许用压力MPaꎬ满足设
3 水压压力试验装置关键零部件静力学分析
水压压力试验装置中ꎬ承受内压和外压的无缝钢管为关键零件ꎬ有必要对其进行有限元静力学分析ꎬ从而确保水压压力试验装置的安全性和可行性ꎮ3.1 有限元模型的简化建立及参数的设定
通过SolidWorks建立受内、外压的压力外壳的三维模型ꎬ对模型进行了简化处理ꎬ删除了对分析影响不大的法兰密封面及焊接接头出的凸台ꎬ模型简化不仅能提高网格划分的质量提高分析结果还能提高求解速度[8]中ꎬ压力外壳选用的材料为ꎬ将简化好的模型导入304不锈钢ANSYSꎬWorkbench
06Cr19Ni10ꎬ弹性模量为204GPaꎬ泊松比为其牌号为
度为7930kg/m30.285ꎬ密Engineering网格划分ꎬ其结果如图Data中ꎬ屈服强度为ꎬ调整好合适的网格大小后进行205MPaꎬ将其定义到2、3所示ꎮ
机械研究与应用2020年第1期(第33卷ꎬ总第165期) 研究与试验
从图4的内压压力外壳总形变图可以看出ꎬ由于在无缝钢管底部焊接有法兰盘ꎬ导致无缝钢管的变形由底端到上端呈喇叭状变形ꎬ最大变形量为0.08mmꎬ该变形量相对于整体的尺寸可忽略不计ꎬ结合图上端管口处ꎬ与总变形图的求解结果保持一致ꎬ最大应力为52.355MPaꎬ低于该材料设计温度下的许用应力[σ]t=137MPaꎮ由图5的外压压力外壳总形变图可以看出ꎬ由于该处的无缝钢管外壁承受3MPa压力ꎬ其变形为径向压缩且向两端伸长ꎬ从图7得到应力云图与图5保持一致ꎬ外压压力外壳在3MPa的6内压压力外壳等效应力图来看ꎬ最大应力也出现在
图2 内压压力外壳网格划分 图3 外压压力外壳网格划分
3.2 添加载荷与约束条件
内压压力外壳是无缝钢管内壁承受液压加压装置提供的3MPa压力ꎬ外压压力外壳主要是缝钢管外壁承受水压产生的3MPa压力ꎬ使用SolidWorks建立内、外压压力外壳的三维模型ꎬ对模型进行了简化处理ꎬ删除了对分析影响不大的法兰密封面及焊接接头处的凸台ꎬ模型简化不仅能提高网格划分的质量提高分析结果还能提高求解速度
[8]
导入ANSYSWorkbench中ꎬ分别对两种压力外壳的ꎬ将简化好的模型
内壁和外壁添加3MPa的压力载荷ꎬ对压力外壳法3兰盘施加镜像约束.3 求解结果ꎮ
用ANSYSWorkbench进行求解ꎬ得到内外压压力外壳的等效应力云图和总变形图ꎬ如图4~7ꎮ
图4 内压压力外壳总 图5 外压压力外壳总
形变图
形变图
图6 内压压力外壳等 图7 外压压力外壳等
效应力图
效应力图
环境压力下的最大变形量为0.002mmꎬ可忽略不计ꎬ最大应力为4 结 语
16.744MPaꎬ低于该材料许用应力ꎮ
依照GB150«压力容器»标准提供的设计公式设计了内压压力外壳ꎬ确定其材料、外形及壁厚等参数ꎬ对外压压力外壳的强度进行了校核ꎬ通过计算均满足设计要求ꎬ利用SolidWorks三维软件进行建模ꎬ并导入ANSYSWorkbench中进行有限元分析ꎬ得到应力分布规律和总变形量ꎬ从而进一步的应证了该压力外壳设计的合理性ꎮ通过理论设计结合有限元分析模拟结果的设计方法ꎬ大大缩短了设计周期ꎬ免去了不必要的试验ꎬ减少了设计制造成本ꎮ参考文献:
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