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基于ABAQUS三通有限元分析

發表時間:2022-04-05 22:05 閱讀:
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      我國自主研發的熱壓X80鋼級大口徑、大壁厚三通由于具有承壓能力強、力學性能高、表面光潔度好等特點在西氣東輸二線得到了大規模的應用。三通作為管道系統的重要組成構件,其可靠性直接影響到整個管道系統的安全運行。一方面,三通主支管構成總體不連續結構,因變形不協調,使得連接部位的一定范圍內存在較大的二次應力和峰值應力引起局部應力集中;另一方面,大口徑三通由于開孔面積、開孔率都較大,承受的集中應力也明顯提高,因此有必要對三通進行力學性能分析及強度評定。目前得到國內外廣泛認可的評定規范是美國ASME《鍋爐及壓力容器規范》第8卷第2冊-壓力容器建造另一規則。
      隨著現代信息技術的進步,有限元分析技術也得到了迅速的發展。在理論計算復雜難解,現場實驗耗資巨大的情況下,利用計算機仿真技術可以得到可靠地近似解,并且節約了大量的資金,因此仿真技術得到了工程設計中得到了廣泛的應用。
      等徑三通屬于典型的對稱問題,為節約時間,避免計算量過大,計算機資源消耗嚴重,計算分析時取其1/4進行建模分析。
      ABAQUS/CAE可以采用“特征”進行參數化建模,其創建模型過程與Pro/E基本一致,對于簡單模型我們可以通過拉伸、旋轉、放樣等方式創建參數化幾何體,這種方法的好處在于方便修改模型幾何參數。
      等徑三通幾何參數如下:外徑1422mm,壁厚60mm,主支管連接部位外壁倒圓角180,內壁倒圓角150,三通半長C取值1054mm,高度M取值978mm。
      三通材料選用為管線鋼X80,基本參數如表1所示:
      在網格劃分上全部采用三維六面體單元C3D8R,模型中共有37128個節點,30038個單元。
      位移約束情況是:在兩個對稱面分別施加對稱約束;將主支管延長2000mm消除邊緣應力的影響并在端部施加固定約束消除剛體位移。
      經過Abaqus仿真計算分析,可以得到三通的Mises應力云圖和彈性應變云圖,如圖1和圖2所示:
      從Mises應力云圖和彈性應變云圖可以看出,在三通肩部應力及應變最大,其次是腹部。我們在三通肩部應力應變最大截面,三通腹部應力應變最大截面,以及遠離不連續結構處分別取路徑Path-1、Path-2和Path-3進行線性化處理。
      由于采用最大形變能屈服準則相比于Tresca準則,與實驗數據吻合的更好,ASME 規范2010版及2013版均規定采用最大形變能屈服準則,即MisesStress計算各應力分量結果的最大值,線性化后結果如表2所示。
       在ABAQUS取路徑等效線性化后,可以導出Membrane(Average)Stress(平均薄膜應力)、Membrane plus Bending(薄膜加彎曲應力)和Peak Stress(峰值應力)。此時的關鍵是識別和提取應力線性化結果用于應力強度的評定,即確定總體一次薄膜當量應力、局部一次薄膜當量應力、一次薄膜加彎曲應力。


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