【摘要】應用ANSYS軟件對一大型筋板加強Y形三通在內(nèi)壓作用下應力分布情況進行了計算和分析，得到了其應力分布規(guī)律。簡述了使用有限元分析軟件進行計算和分析的思路、基本步驟及應力強度評定方法。同時對比了同等參數(shù)條件相同尺寸下無筋板加強Y形三通的應力分布結果。結果表明采用筋板加強Y形三通可有效減少三通相貫線處的應力集中，從而增強其整體承載內(nèi)壓的能力，提高該類三通在工程應用中的安全可靠性。

【關鍵詞】筋板加強；Y形三通；應力分析

1、前言

現(xiàn)有國內(nèi)標準成型三通，不論是國家標準（GB/T12459-2005）還是化工部行業(yè)標準（SH3408-2012）均為正交三通。在某項目工程設計中，由于工藝參數(shù)條件特殊，需在管道上設置一個大型Y形三通。三通在工程應用中最常見的問題是主管與支管相貫處的連接焊縫開裂而引起泄漏[1]，經(jīng)各專業(yè)方案設計過程溝通協(xié)調(diào)，確定采用筋板加強Y形三通結構，以減少相貫線焊縫處的應力集中。為驗證該三通的強度和結構的合理性，特進行了有限元分析，以求得其在內(nèi)壓作用下的應力分布結果。同時，筆者對同等參數(shù)條件相同尺寸下無筋板加強Y形三通的應力分布結果進行了對比。

2、模型的建立及邊界條件設定

該三通主支管尺寸均為Ф1828×14mm，加強筋板厚50mm，筋板連接處選用圓鋼Ф150mm加強，材質(zhì)均為Q245R，彈性模量197GPa，泊松比μ=0.3，設計壓力0.6MPa，設計溫度為100℃，對應設計應力強度 Smt=147MPa。

采用ANSYS 12.1 Workbench有限元分析軟件進行分析計算，在建模上考慮到結構、外載及約束上的對稱性，取1/4模型進行分析計算，在網(wǎng)格劃分上采用三維20節(jié)點六面體單元solid186，為確保計算結果的精確性，對整個模型網(wǎng)格采用映射劃分，并對三通相貫線部位的網(wǎng)格進行局部加密。網(wǎng)格劃分情況見圖1。

該三通模型在應力分析計算中，只考慮承受內(nèi)壓作用，不計外載、自重或疲勞振動等情況。設置邊界條件為：兩個剖切面上施加對稱約束（X、Y方向），在主管遠端某一節(jié)點上約束Z向位移為0；在模型內(nèi)表面施加工作壓力0.6MPa，在主支管橫截面上施加軸向等效拉應力19.1MPa[2]。

3、應力分類及強度評定

三通屬于大開孔結構，由計算得到的應力云圖（圖2）可以看出：無筋板加強Y形三通最大應力集中點出現(xiàn)在三通腹部相貫線附近，而采用了筋板加強的Y形三通因為圓鋼及筋板在腹部相貫線附近的加強作用，最大應力集中點位于900角相貫線內(nèi)側(cè)。在工作條件下，最大應力集中點處最有可能產(chǎn)生屈服。依據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》的方法觀點，結構中的一點或局部進入塑性屈服并不一定導致破壞，各種應力對其強度的影響各不相同，可按應力性質(zhì)影響范圍及分布狀況將應力分為一次應力、二次應力和峰值應力并對不同類型應力應用不同的準則來判別[3]。該三通所受載荷并非周期性載荷，因此可能產(chǎn)生破壞影響的是一次應力和二次應力，而峰值應力的影響可以不考慮，在評定時只需滿足兩項應力限制條件即可。

在最大應力點附近設置了多條從內(nèi)壁貫穿外壁的路徑對其進行應力線性化處理，并分別選取一條典型路徑得到的局部薄膜應力SⅡ以及薄膜加彎曲應力SⅣ結果見圖3，圖4?？梢钥闯觯罕∧ぜ訌澢鷳Ⅳ均在內(nèi)壁出現(xiàn)最大值，在筋板加強Y形三通相貫線處，局部薄膜應力SⅡ=97.6MPa小于其強度許用極限1.5stm=220.5MPa；薄膜加彎曲應力SⅣ=107.8MPa小于其強度許用極限3.0stm=441MPa，均滿足強度要求可評定合格。而在無筋板加強Y形三通相貫線處，局部薄膜應力SⅡ=478MPa；薄膜加彎曲應力SⅣ=612MPa；均不能滿足強度要求。對比可見采用筋板加強結構可有效減少Y形三通相貫線處約80%應力強度值，從而增強其整體承載內(nèi)壓的能力。

4、結論

通過對比上述兩種應力分析結果可見：采用筋板加強Y形三通可有效減少三通相貫線處的應力集中，從而增強其整體承載內(nèi)壓的能力，提高其在工程應用中的安全可靠性，為該類三通的工程應用提供理論依據(jù)和參考示例。

參考文獻

[1]方小里等.電站輔機[J].2014，35（1）：27-29.

[2]李建國.壓力容器設計的力學基礎及其標準應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：103-136.

[3]JB 4732-1995.鋼制壓力容器-分析設計標準（2005年確認）[S].

作者簡介

吳林（1982-），男，漢族，2002年取得中國石油大學焊接工藝及設備專業(yè)學士學位，2006年取得中國石油大學材料學專業(yè)碩士學位，2006年開始在長嶺煉化岳陽工程設計有限公司設備室從事壓力容器設計及有限元分析計算工作，工程師，已發(fā)表論文2篇。