孫勝仁 戴凌漢 錢才富

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

平面鉸鏈型膨脹節(jié)的極限設(shè)計(jì)法

孫勝仁*戴凌漢 錢才富

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

以DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節(jié)為例，借助有限元軟件，將壓力容器的極限載荷分析法應(yīng)用于膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用極限載荷分析法設(shè)計(jì)膨脹節(jié)，除了能進(jìn)行強(qiáng)度評判外，也能計(jì)算出膨脹節(jié)各方向的位移和膨脹節(jié)的許用載荷，并可以較容易的對膨脹節(jié)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

膨脹節(jié) 極限設(shè)計(jì)法 極限載荷 輕量化設(shè)計(jì)

膨脹節(jié)是工程上常用的彈性變形補(bǔ)償元件，隨著工業(yè)裝置規(guī)模的擴(kuò)大，大型膨脹節(jié)的應(yīng)用越來越廣泛。另一方面，多數(shù)膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除了起補(bǔ)償作用的波紋管外，還配有許多功能不同的結(jié)構(gòu)件。如何合理設(shè)計(jì)膨脹節(jié)，即在滿足變形補(bǔ)償以及強(qiáng)度與剛度要求的條件下使其重量最輕，成為膨脹節(jié)設(shè)計(jì)和研究人員關(guān)注的課題。

關(guān)于膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)，已有一些文獻(xiàn)報(bào)道。在對鉸鏈型膨脹節(jié)端管組件設(shè)計(jì)研究中，張道偉和王春會利用有限元軟件對比了雙馬鞍板、等高環(huán)板及加筋環(huán)板等多種條件下端管組件的受力特點(diǎn)，指出在相同條件下使用環(huán)板相比使用馬鞍板能減小應(yīng)力集中，提出了不等高環(huán)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化效果明顯[1]。周強(qiáng)和李永生利用有限元分析了外壓軸向型加強(qiáng)筋環(huán)板的應(yīng)力，指出該膨脹節(jié)設(shè)計(jì)的合理性，為膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)件應(yīng)力評定提供了依據(jù)[2]。張煥東等通過ANSYS模擬膨脹節(jié)萬向環(huán)的承載能力，指出等質(zhì)量條件下，方形萬向環(huán)的剛度和強(qiáng)度大于圓形萬向環(huán)的，為萬向環(huán)的選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)[3]。李亮和劉化斌利用ANSYS對膨脹節(jié)接管撐板組件現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步改進(jìn)探討[4]，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析和結(jié)果評定，達(dá)到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)省材料的目的。筆者以平面鉸鏈型膨脹節(jié)為例，利用有限元軟件，對比了常規(guī)設(shè)計(jì)和極限載荷分析法的設(shè)計(jì)結(jié)果，并結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)與極限載荷分析，對膨脹節(jié)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

1 平面鉸鏈型膨脹節(jié)的常規(guī)設(shè)計(jì)

平面鉸鏈型膨脹節(jié)只能吸收彎曲變形，形成角位移。內(nèi)壓推力和外載荷由鉸鏈承受。平面鉸鏈型膨脹節(jié)主要用于“L”和“Z”形管道，其承力結(jié)構(gòu)件主要有主鉸鏈板、副鉸鏈板及鉸鏈立板等。筆者以DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節(jié)(空冷系統(tǒng)用)為例進(jìn)行計(jì)算，該膨脹節(jié)設(shè)計(jì)條件如下：

a. 膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)壓力為-0.100～0.049MPa。外壓為0.1MPa時(shí)，壓力推力為380kN；內(nèi)壓為0.049MPa時(shí)，壓力推力為186kN。

b. 膨脹節(jié)應(yīng)有足夠的剛度，承受外部載荷和真空力時(shí)，最大變形量不超過接管外徑的1/500(即Do/500)，相當(dāng)于4.4mm。

c. 波紋管材料為AISI 321，彈性模量200GPa，許用應(yīng)力118MPa；鉸鏈部分材料為16MnR鋼，彈性模量200GPa，許用應(yīng)力157MPa，屈服應(yīng)力305MPa(依據(jù)鋼板標(biāo)準(zhǔn)GB 6654)；其余結(jié)構(gòu)件材料Q235b鋼，彈性模量200GPa，許用應(yīng)力113MPa，屈服應(yīng)力225MPa(依據(jù)鋼板標(biāo)準(zhǔn)GB 3274)。

所謂膨脹節(jié)的常規(guī)設(shè)計(jì)也就是按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前涉及膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 12777-2008《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》、EJMA第9版(含2011增補(bǔ))《膨脹節(jié)制造協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)》及 EN14719：2009+A1：2012(E)《壓力用金屬波紋管膨脹節(jié)》等。按照膨脹節(jié)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)過程包括：波紋管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力和疲勞校核；承力結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)力校核。

常規(guī)設(shè)計(jì)的膨脹節(jié)幾何模型、有限元模型如圖1、2所示。圖1中各部位壁厚為：波紋管1.6mm、接管10mm、鉸鏈立板20mm、副鉸鏈板16mm、主鉸鏈板30mm、波紋管1.6mm、端環(huán)10mm、筋板10mm、吊耳20mm、內(nèi)環(huán)板10mm。

圖1 膨脹節(jié)幾何模型

圖2 膨脹節(jié)有限元模型

2 平面鉸鏈型膨脹節(jié)的極限分析

在膨脹節(jié)的常規(guī)設(shè)計(jì)中，除了需要補(bǔ)償?shù)淖冃瓮?，并未考慮結(jié)構(gòu)件在載荷作用下的變形，或者說對于膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)中并沒有關(guān)于膨脹節(jié)整體剛度的要求，該條件是由設(shè)計(jì)方提出的，為了防止因壓力推力和其他外載的作用使得膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)件變形過大，影響使用和美觀性。然而，要計(jì)算膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)的變形并不容易，特別是一些結(jié)構(gòu)件，基于力學(xué)公式的變形計(jì)算誤差較大。

采用有限元法能有效計(jì)算出各部件的變形，同時(shí)，有限元方法已越來越多的應(yīng)用于壓力容器的分析設(shè)計(jì)，目前有兩種設(shè)計(jì)方法：一是應(yīng)力分類法，例如基于JB 4732-95的設(shè)計(jì)，但膨脹節(jié)中往往包含有許多結(jié)構(gòu)件，而且結(jié)構(gòu)件相互連接或相互接觸，有很多應(yīng)力集中部位，如果用應(yīng)力分類法校核膨脹節(jié)的強(qiáng)度，局部的虛擬應(yīng)力較大，應(yīng)力評定較為困難，也不合理，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)件畢竟是受壓件；另一種是極限載荷分析法，例如基于ASME VIII-2，2010中5.2.3節(jié)的分析規(guī)定，以屈服強(qiáng)度等于1.5S來確定塑性極限，并對在規(guī)定中的每一種載荷情況組合完成極限載荷分析，如果達(dá)到收斂，元件在此載荷情況在所作用的載荷下處于穩(wěn)定。

按ASME VIII-2規(guī)范，將膨脹節(jié)所受所有外載荷和壓力推力擴(kuò)大1.5倍，并設(shè)置各結(jié)構(gòu)件的屈服極限，以極限載荷法進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果滿足極限載荷應(yīng)力評定條件。施加原載荷計(jì)算位移，同樣滿足剛度條件(軸向位移最大，最大值為3.5mm)。膨脹節(jié)軸向位移分布云圖和總體應(yīng)力分布云圖分別如圖3、4所示，有了膨脹節(jié)各結(jié)構(gòu)件的變形和應(yīng)力分布，就可以容易地根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)件的形狀和厚度，另外，采用極限載荷分析法還能計(jì)算出膨脹節(jié)的許用載荷。

圖3 膨脹節(jié)軸向(x向)位移分布云圖

圖4 膨脹節(jié)總體應(yīng)力云圖

通過基于有限元的極限載荷分析方法，還可以對膨脹節(jié)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。其方法可以是標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，使膨脹節(jié)重量最輕；也可以采用正交實(shí)驗(yàn)法，即對膨脹節(jié)各部件(因素)給予不同的厚度水平，考察各因素對膨脹節(jié)強(qiáng)度和剛度影響程度，繼而進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化計(jì)算[5]。對于DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節(jié)，通過正交實(shí)驗(yàn)法輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)果見表1，輕量化設(shè)計(jì)前質(zhì)量為1 002.95kg，輕量化設(shè)計(jì)后質(zhì)量為849.47kg，減輕的質(zhì)量比為15.25%。

表1 膨脹節(jié)輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

3.1采用有限元分析，能得到膨脹節(jié)各結(jié)構(gòu)件的變形和應(yīng)力分布，因而可以容易地根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)件的形狀和厚度。

3.2采用極限載荷分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)，除能進(jìn)行強(qiáng)度評判外，也能計(jì)算出膨脹節(jié)各方向的位移，還能計(jì)算出膨脹節(jié)的許用載荷。

3.3采用極限載荷分析法也可以比較容易的對膨脹節(jié)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，對于DN2 200mm平面鉸鏈型膨脹節(jié)來說，應(yīng)用極限分析和輕量化設(shè)計(jì)后，質(zhì)量減輕15.25%。

[1] 張道偉，王春會.鉸鏈型膨脹節(jié)端管組件優(yōu)化設(shè)計(jì)[C]. 第十一屆全國膨脹節(jié)學(xué)術(shù)會議膨脹節(jié)設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用技術(shù)論文選集.泰安：中國壓力容器學(xué)會膨脹節(jié)委員會，2010：38～43.

[2] 周強(qiáng)，李永生.外壓軸向型補(bǔ)償器加筋環(huán)板有限元應(yīng)力分析[C].第十二屆全國膨脹節(jié)學(xué)術(shù)會議論文集.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2012：99～103.

[3] 張煥冬，戴凌漢，錢才富，等.兩種膨脹節(jié)萬向環(huán)的等質(zhì)量承載能力比較[C].第十二屆全國膨脹節(jié)學(xué)術(shù)會議論文集.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2012：94～98.

[4] 李亮，劉化斌.基于ANSYS的膨脹節(jié)接管撐板組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化初探[C].第十二屆全國膨脹節(jié)學(xué)術(shù)會議論文集.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2012：275～281.

[5] 徐新軍，楊益清，孫斌，等.正交實(shí)驗(yàn)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械，2011，38(3)：317～319.

Limit-loadDesignforSingleHingedExpansionJoint

SUN Sheng-ren, DAI Ling-han, QIAN Cai-fu
(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)

Taking the design of aDN2 200mm single hinged expansion joint as an example, the finite element limit-load analysis method for pressure vessels was applied to design expansion joint. The results show that applying limit-load analysis method can benefit strength evaluation of the expansion joint, easily calculating its displacement on different directions and allowable load as well as the lightweight design.

expansion joint, limit-load design, limited load, lightweight design

* 孫勝仁，男，1990年12月生，碩士研究生。北京市，100029。

TQ050.2

A

0254-6094(2016)02-0183-03

2015-04-03，

2016-03-18)

聲明

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