張鴻達(dá)（北京華福工程有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430223）

有限元法在化工管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用探討

張鴻達(dá)（北京華福工程有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430223）

隨著工業(yè)化的高速發(fā)展，在各類物料運(yùn)輸?shù)沫h(huán)節(jié)中，化工管道得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過分析有限元法應(yīng)用在華工管道應(yīng)力的分析中，在一定程度上完善了化工管道的質(zhì)量。

化工管道；有限元法；應(yīng)力分析

在進(jìn)行化工管道焊接的環(huán)節(jié)中，通常情況下都是采用熔化焊接的方式，在對木材和旱材進(jìn)行高溫處理后，會產(chǎn)生熔池，熔池在冷卻后，會產(chǎn)生結(jié)晶，使原子和原子之間結(jié)合氣啦，管道在高溫的條件下會產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，在受到一定的束縛后，管道不能產(chǎn)生形變，因此管道的應(yīng)力也不能很好的得到釋放，但是管道如果發(fā)生了屈曲后，就會直接導(dǎo)致破壞的產(chǎn)生。管到的泄露會導(dǎo)致環(huán)境的污染，也會產(chǎn)生嚴(yán)重的資源浪費(fèi)的情況。隨著計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有限元法得到了應(yīng)用，采用有限元法分析化工管道焊接接頭殘余應(yīng)力意義重大。

1 化工管道

1.1 化工管道的特點(diǎn)

在化工行業(yè)，化工管道得到廣泛的應(yīng)用，在石油和天然氣的運(yùn)輸中，管道的用途廣泛。管道根據(jù)用途的不同，也被分成不同的類型，現(xiàn)在，不同的化工管道都是采用焊接的技術(shù)制作。然是管道在焊接的環(huán)節(jié)中，由于加熱不均勻，或者冷卻方式不對，就會導(dǎo)致管道出現(xiàn)熱脹冷縮的問題，在管道的內(nèi)部會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，其對管道的強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生很大的影響，也會導(dǎo)致管道的穩(wěn)定性的下降，長時間會導(dǎo)致管道產(chǎn)生嚴(yán)重的變形的問題。

1.2 化工管道的設(shè)計優(yōu)化

早在二十世紀(jì)五十年代，當(dāng)時就采用最優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行應(yīng)力的分析，結(jié)合了各類線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃的問題。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該采用優(yōu)化設(shè)計的方式，在一定的工作條件下，要對機(jī)械的性能和尺寸進(jìn)行設(shè)計，還要分析外界環(huán)境對機(jī)械運(yùn)行的影響，從而達(dá)到設(shè)計的目的。在進(jìn)行變量選取的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該通過對自變量和因變量的分析，建立起目標(biāo)函數(shù)，從而獲得最佳值。在進(jìn)行變量和目標(biāo)函數(shù)設(shè)計的環(huán)節(jié)中，完善空間設(shè)計。

近年來，隨著電子計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了高速的變革，計算機(jī)輔助設(shè)計等技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，有限元法已經(jīng)形成了一個獨(dú)立的學(xué)科。化工生產(chǎn)的過程非常的復(fù)雜，化工機(jī)械是一類常見的機(jī)械設(shè)備，在設(shè)計的環(huán)節(jié)中，除了要遵循機(jī)械設(shè)計的共性特征，而且還要分析設(shè)計的特殊性，在設(shè)計的過程中，要面對不同的參數(shù)，其難度非常大。

2 有限元法

2.1 有限元法的簡介

有限元法在實(shí)際的應(yīng)用中，主要是采用有限元分析的方式，可以對偏微方程進(jìn)行求解，是一類常見的數(shù)值方法。近年來，大量的研究針對優(yōu)先單元，這種方法逐漸的被工業(yè)領(lǐng)域接受。有限元法主要采用了變分原理和加權(quán)余量的方法，將一個結(jié)構(gòu)分成不同的組合體，將這些組合體分成不同的單元，科學(xué)的選擇節(jié)點(diǎn)，從而可以建立函數(shù)，將微分方程中的變量轉(zhuǎn)化成各個變量和其他的倒數(shù)的節(jié)點(diǎn)值，從而運(yùn)用函數(shù)的方式進(jìn)行線性表達(dá)，通過加權(quán)余量的方式，對方程進(jìn)行離散求解。在對各項(xiàng)權(quán)重進(jìn)行分析的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該采用權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)結(jié)合的方式，從而形成科學(xué)的有限元的方法。由于有限元法的通用性非常強(qiáng)，其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常的廣泛，如今，計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速的發(fā)展，有限元法成為計算機(jī)輔助技術(shù)的重要代表，在數(shù)值的仿真中發(fā)揮的作用非常的明顯。

2.2 在化工管道中采用有限元法

如今，有限元法在化工管道中的應(yīng)用非常的廣泛，可以對化工管道所承受的應(yīng)力進(jìn)行分析，在化工管道應(yīng)用的環(huán)節(jié)中，進(jìn)行熱分析，并且對化工管道起到良好的保護(hù)的效果，進(jìn)行管道的漏磁檢測。

在一些化工行業(yè)起步比較早的發(fā)達(dá)國家，很多化工企業(yè)都采用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方式，采用實(shí)驗(yàn)的方式對相關(guān)的理論進(jìn)行分析，而且形成了非常全面的數(shù)據(jù)，設(shè)計規(guī)范也非常的全面。在化工管道的檢測中，主要結(jié)合了溫度場、剛度、強(qiáng)度的分析，提高了化工管道的抗腐蝕能力，結(jié)合了漏磁檢測。

近年來，我國也對化工管道進(jìn)行了研究，大量的研究工作取得新的進(jìn)展。采用有限元法對化工管道進(jìn)行保護(hù)，運(yùn)用軟件對化工管道的保溫過程進(jìn)行熱分析，從而在化工管道保溫的環(huán)節(jié)中，可以防止各類損失的產(chǎn)生。采用有限元法對化工管道承受的壓力進(jìn)行分析，分析小尺寸的缺陷對管道應(yīng)力產(chǎn)生的影響，從而找到規(guī)律。對管道的熱應(yīng)力進(jìn)行有限元的分析，從而使應(yīng)力的分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。還能對管道的腐蝕情況進(jìn)行分析，防止大量的腐蝕問題產(chǎn)生。由于受到計算機(jī)軟件和相關(guān)技術(shù)的限制，化工管道在制作中同樣會受到材料的影響，應(yīng)該采用有限元法，對管道的設(shè)計和制作進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 化工管道的有限元分析流程

首先要建立模型，建立起管道模型和焊縫的模型，其次要進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場的分析，并且劃分單元，增加束縛和荷載，最后求解，從而得到溫度和殘余應(yīng)力的分布情況，找到最佳的解決方案。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在設(shè)計中不能只采用線性理論。有限元法如今發(fā)展迅速，在設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用，很多化工產(chǎn)品的設(shè)計都采用有限元法，這項(xiàng)技術(shù)可以提高化工產(chǎn)品的生產(chǎn)率，效果非常好。

[1]周基偉.試論有限元法在壓力容器及管道局部應(yīng)力計算中的應(yīng)用研究[J].中國包裝工業(yè),2015,(16):86-87.

[2]李軍.材料力學(xué)法及ANSYS有限元法在金鼎寺水庫重力壩應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].低碳世界,2014,(17):116-117.

[3]孫麗麗,王尊策,王勇,張旭昀,韓軍,徐子怡,畢鳳琴.基于ANSYS有限元法的含雙點(diǎn)及組合腐蝕缺陷管道應(yīng)力分析[J].兵器材料科學(xué)與工程,2014,(01):5-7.