液压管路的应力分析方法及其实用性

科技论坛　液压管路的应力分析方法及其实用性　段光斐　（中国第一重型机械集团公司办公室，黑龙江齐齐哈尔１６１０４２）　摘要：对于液压管路的应力分析中影响分析可靠性和准确性的软件选用、单元划分、各类栽荷处理、材料匹配、阀门、接头处理以及缺陷评定　等问题，进行了归纳与讨论，提出了处理的方法与建议。　关键词：液压管路；应力分析；实用性　近年来机械行业中液压管路的可靠性和安全性问题表现得日益突　所特有的管道单元，它可以很精确地模拟实际空间管道，而且计算精度　出。由于管道的空问走向和受载复杂，致使应力分析十分繁琐，而管道缺　高，使用方便，这在其它同类有限元软件中是少见的，计算中采用的ＥＬ—　陷评定中又必须知道每一个待评定部位的应力状态，因此只可能采用管　ＢＯＷ３１单元可以带来意想不到的高精度与高效率。　系有限元分析方法计算应力，获得带超标缺陷的焊口在无缺陷时的应力　１．４单元划分　状况，供缺陷安全评定时参考。以下结合管应力计算一般途径与方法，将　计算中选择好所用管单元后，要对空间管网划分单元。各管线中管　应力分析过程中可能遇到的、影响其可靠性的问题加以总结与讨论。　道单元的划分接点主要选取在支架处、直管与弯管的焊缝处、变径段两　１管道应力与分析　端焊缝处、弯头的中间若干部位。这样如评定焊缝位于直管与弯头或变　般来说，管系为三维空间走向，由一条或多条主管线及数条支管　径段连接处，则该焊缝就是管单元的接点，该焊缝的应力偏保守可取为　线组成，有限元计算模型的建立，必须参考具体结构现场数据进行，准确　两端单元应力的最大值，除此之外，焊缝就处于管单元的中间部位，应力　的结构参数是一切计算的基本出发点。　值可取为单元应力最大值。　１．１管系载荷分类与确定　１．５材料不同的管道组成的管系　管系承受的载荷大致可分为以下四类：　管网中各条不同的管道可能由于介质、压力等的不同，选用的材质　１）压力载荷：可能在几种不同压力、温度组合条件下运行的管道，应　不同。管道应力计算中常见的材料参数如下表。可见其弹性模量Ｅ及热　根据最不利的压力温度组合确定管道的计算压力。也就是必须将最危险　膨胀系数Ｏｔ有时相差较大，在有温差热应力的情况下，会带来热力耦合　工况区分出来。　问题：密度Ｐ的不同也会带来重力载荷的不均匀，尤其在考虑惯性力的　２）持续外载：包括管道基本载荷（管子及其附件的重量、管内介质重　场合，差别不可忽略。　量、管外保温的重量等）、支吊架的反力以及其它集中和均布的持续外　一载。　碳钢管道　ＯＣｒｌ８ＮｉｇＴｉ不锈钢管道　１．６边界条件和约束的处理　施加的边界条件和约束对管道的计算至关重要，其作用与影响有时　远远大于压力载荷，因而必须仔细考虑现场参数，力求给出的约束与现　场情况一致。一般压力管道的管网中有多种形式的支架：固定式、滑动式　和间隙式等。　计算模型中对上述支架对管道的约束可分别简化为固支和简支以　及采用间隙元。简支约束处受约束的方向（与管道轴线垂直的方向）位移　定为０，不受约束的方向（轴向）位移自由，另外三个转角自由；固支约束　处，三个方向位移均限定为０，另外三个转角自由。　１．７阀门和变径段的特殊处理　阀门的处理：在计算中将阀门及与之相连的法兰处理成与相连接的　且认为近似刚性体，输入其几何长度，弹性模量　升级不断，其分析模块一般能将最先进的算法和计算机技术结合在软件　管道相匹配的一段管道，中，特别是它的非线性力学分析功能比较强大。　可取为比相连管道的模量高若干个数量级，热膨胀系数取为比相连管道　常用的大型通用有限元计算分析软件有：ＳＡＰ５，ＳｕＰＥＲＳＡＰ，ＡＬ—　的系数低若干个数量级，密度由实际重量与模型中体积的比值确定。　ＧＯＲ，ＡＤＩＮＡ（ＡＤＩＮＡＴ），ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ，ＭＳＣ／ＤＹＴＲＡＮ，ＨＫＳ／ＡＢＡＱＵＳ，　变径段的处理：在计算中将变径段处理成与相连接的管道内、外径　使得其中最大一段管道的外径与相连接的　ＡＮＳＹＳ，ＡＮＳＹＳ／Ｉ．Ｓ—ＤＹＮＡ等，大型通用管道计算专用软件有ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ　相匹配的若干段等长的管道，等。前者应用范围更一般，用于管道应力分析时需要对计算模型进行较　较大管道的外径相等，最小一段管道的外径与相连接的较小管道的外径　多的人为处理，但可以依据工程实际情况处理的较为细致，有比较大的　相等，并且使这几段管道在连接处相互重叠的厚度等于内、外半径差。它　灵活性。而后者更类似于“傻瓜型”的软件。大多数情况下，前者更适合于　们的密度由实测重量与模型中体积的比值确定。　专业分析人员使用，后者更适合于专业设计人员使用。　１．８计算结果　通常大型通用有限元计算分析软件具有较丰富的管道单元库。以　通常，计算的输出文件一般比较大，可有选择地输出关键部位的结　ＡＢＡＱＵＳ为例，在其５．８版本中，直管单元有：ＰＩＰＥ２１（平面二节点线性　果。而且，首先根据工程经验对计算结果的合理性进行判断，对于有疑问　一一３）热胀和端点位移：管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介　质的温度变化，管道产生热胀冷缩使之变形；与设备相连接的管道，由于　设备的温度变化而出现端点位移，也使管道变形。　４）偶然性载荷：包括风雪载荷、地震载荷、流体冲击以及安全阀动作　而产生的冲击载荷。这些载荷都是偶然发生的临时性载荷，而且不会同　时发生，在一般静力分析中，不考虑这些载荷。　１．２载荷工况　般情况下，管道应力计算时主要考虑以下两种工况：工况１——　考虑内压、重力载荷、最低可能使用温度（例如一２Ｏ℃）；工况２一一考虑内　压、重力载荷、最高可能使用温度（例如５０℃）。　。！年　１．３计算软件的选择　科　管道应力计算软件按照来源可以分为自编的软件和购买的商品化　技　软件。按其功能划分不外乎两种：通用性软件和专用性软件。自编的软件　丽　往往针对性和目的性较强，效率较高但功能单一，应用范围有限。而商品　化软件（大型通用有限元计算分析软件和大型通用管道计算专用软件）　般都是由国际上著名的公司开发，经费投入动辄上亿美元，产品新版　管单元），ＰＩＰＥ２１Ｈ（平面二节点线性杂交管单元），ＰＩＰＥ２２（平面三节点　二次管单元），ＰＩＰＥ２２Ｈ（平面三节点二次杂交管单元），ＰＩＰＥ３１（空间二　节点线性管单元），ＰＩＰＥ３１Ｈ（空间二节点线性杂交管单元），ＰＩＰＥ３２（空　间三节点二次管单元），ＰＩＰＥ３２Ｈ（空问三节点二次杂交管单元）；弯管单　元有：ＥＬＢＯｗ３ｌ（空间二节点线性弯管单元），ＥＬＢ０ｗ３２（空间三节点二　次弯管单元），ＥＬＢＯＷ３１Ｂ（空间椭圆形二节点线性弯管单元），ＥＬ—　ＢＯＷ３１Ｃ（空间椭圆形二节点线性弯管单元）。并且弯管单元是ＡＢＡＱＵＳ　处应仔细分析，必要时需多次计算与验证。　２结论　以上ｉ－，Ｊｉｋ了液压管路的应力分析一般途径和模型处理中可能遇到的　问题与对策，重点是要保证应力分析结果的合理与准确。有时模型处理中　的某一方面不正确或不合理，可能会对应力计算的结果带来决定性的影　响。因而，对于关键和重要的管道，如果条件许可，最好能将现场应力测量　数据与计算结果加以验证比较，以保证应力结果的可靠性和准确性。　作者简介：段光斐，中国第一重型机械集团公司办公室工程师。