基于ansys workbench的水压压力试验装置的静力学分析

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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􀅰３􀅰