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钢塑复合管的强度有限元分析

发布于:2019-07-26 20:25
有限元分析

      我国化工管道设计规范中,给出了金属管道承受内压管壁的3个应力,从目前各国的管道规范看来,大多采用的是最大剪应力强度理论,该理论能较好地符合塑性材料的破坏情况,简单可靠。但非金属材料的应力一应变特性与金属材料的应力一应变特性有较大差异,同时由于采用衬里后,对管道的应力、刚度产生了很大影响,因此需要对有衬里管道进行强度应力有限元分析,以保证管道的正常运行和使用寿命。
      对于有衬里管道,可考虑按如下进行简化:①衬里材料是均匀的。②衬里层与钢管之间是紧密连接的。③设外层金属管道为各向同性材料厚壁筒,内层为正交异性材料薄壁筒,管道变形为平面应变轴对称问题。内衬里直管的应力主要由两方面组成:①管子在工作过程中由于内压而产生的应力;②衬里和钢管壁之间由于粘结而产生的粘结应力。因此有衬里直管应力模型可以简化为内外受力的圆筒,其中分别为衬里外、内壁上所受到的外力。由于衬里为正交异性材料。
      一般管道为三维走向,在复杂载荷作用下所产生的应力状态是复杂的。在工程中管道承受的载荷大致可分为以下4类:①内压载荷:可能在几种不同压力、温度组合条件下运行的管道,应根据最不利的压力温度组合确定管道的计算压力。②持续外载:包括管道基本载荷(管子及其附件的重量、管内介质重量、管外保温层的重量等)、支吊架的反力、以及其它集中和均布的持续外载。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,也可能使管道变形。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,可不考虑这些载荷。
      当管内存在均匀分布的压力时,在管壁上任何一点的应力状态由作用于该点上3个相互垂直的主应力所决定。它们分别是沿圆周方向上的内压周向应力。沿管壁直径方向的内压径向应力,平行于轴向的内压轴向应力,其中,内压周向应力是随半径而变化的,在内壁为最大值,外壁为最小值。内压径向应力的最大值在管内壁,而在管外壁为零。内压轴向应力与半径无关,是沿管壁均匀分布的。
      根据第三强度理论,其当量强度为内压周向应力;①内压周向应力是内压作用于管壁,在管壁内产生的周向拉应力。当内压作用于衬里材料时,由于衬里材料多为拉应力较低,因此平衡内压周向应力(拉应力)实际是由钢管完成的。此时钢管由于内压而产生的周向应力与无衬里钢管所受周向应力几乎相同。②内压径向应力的最大值在内壁(即衬里内壁),钢管外壁为零,属压应力。平衡此项应力由衬里层和钢管共同承担,同时,衬里要平衡部分外部压力所产生的内力,而钢管径向应力水平会下降,因此,有衬里钢管所受内压径向应力减小。③内压轴向应力是沿轴向均匀分布,属拉应力。在管道截面上的内压轴向应力也是由衬里层和钢管共同承担。由于衬里材料抗拉强度较低,则平衡轴向应力主要由钢管来完成,此时钢管因内压而产生的轴向应力与无衬里时几乎相同,可认为衬里材料对钢管所受内压轴向应力的影响可忽略不计。


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