一种精确的管线弯头应力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种精确的管线弯头应力的计算方法，1、计算管线位移影响下弯头应力增大系数；2、计算外载荷影响下弯头应力增大系数i

【技术实现步骤摘要】
一种精确的管线弯头应力计算方法


[0001]本专利技术涉及一种管线弯头应力分析技术，具体为一种精确的管线弯头应力计算方法。

技术介绍

[0002]输流管道系统作为流体传输、能量转换的重要通道，在石油化工、能源动力、航天航空等工程领域具有广泛应用。弯头作为管道系统中的重要组成部分，不仅能够改变管道方向，而且具有提高管路柔性、缓解约束力、补偿热膨胀等重要作用。然而，管道服役过程中，弯头在结构、流体载荷综合作用下，易引起变形、应力集中等问题，甚至导致强度失效和疲劳破坏，严重影响正常生产和人员安全。因此，对弯头进行高效精确的强度和疲劳分析是保障管路安全运行的必要条件。
[0003]获得弯头位置的准确应力值是保证其强度安全的关键。但是，由于管线位移和外载荷的影响，弯头截面会发生椭圆化变形如图1所示，实线为弯头管截面变形前的形状，虚线为变形后的形状，弯头处出现应力集中，导致应力增大。因此，国内工业金属管道设计规范GB50316，国外压力管道规范AMSE B31.1和动力管道规范AMSE B31.3等规定在计算管道系统应力时应计入应力增大系数，考虑局部应力增大的影响，其对弯头应力增大系数的计算主要采用方法如下：
[0004]平面内：
[0005][0006]平面外：
[0007][0008]式中：为柔性特性；T，R，r分别为弯头壁厚、曲率半径、管平均半径。
[0009]然而，上述应力增大系数只考虑了管线位移引起弯头应力增大的作用，没有考虑外载荷引起弯头处弯矩对应力增大的影响。当外载荷在弯头处产生较大弯矩时，弯头同样会因为椭圆化变形导致应力集中，进而使应力增大。弯头处的真实应力会高于通过引入公式(1)和(2)后获得的应力值，造成强度或疲劳分析结果不可靠。因此，为了保证管路系统的安全运行，避免发生强度失效和疲劳破坏等严重后果，需要获得准确的管线弯头应力增大系数。准确应力增大系数能够保证高效精确地进行管线弯头应力计算。

技术实现思路

[0010]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种精确的管线弯头应力计算方法，能够高效准确地计算管线弯头的应力，使弯头的应力分析结果更加精确可
靠。准确应力增大系数的引入能够有效减少管线弯头应力计算值与真实值之间的误差，从而提高强度和疲劳分析结果的可信度。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]一种精确的管线弯头应力的计算方法，该方法包括以下步骤：
[0013]步骤一：计算管线位移影响下弯头应力增大系数；
[0014]由于管路弯头平面内和平面外的变形差别，故将管线位移影响下弯头应力增大系数的计算分为平面内和平面外两部分：
[0015]平面内：
[0016][0017]平面外：
[0018][0019]式中：为柔性特性；T，R，r分别为弯头壁厚、曲率半径、管平均半径；
[0020]步骤二：计算外载荷影响下弯头应力增大系数i
F
；
[0021]由于外载荷在弯头处的弯矩引起弯头截面椭圆化变形，导致应力增大。因此，外载荷影响下弯头应力增大系数采用如下公式计算：
[0022][0023]式中：δ1＝2.1，为常数项系数；F，L分别为管线外载荷合力和其对弯头的最大力矩；E，I分别为弯头材料弹性模量和横截面惯性矩；
[0024]步骤三：综合两部分应力增大系数获得总的应力增大系数i1；
[0025]综合管线位移和外载荷的影响得到精确的应力增大系数的计算公式如下：
[0026]平面内：
[0027][0028]平面外：
[0029][0030]步骤四：计算弯头处的精确应力；
[0031]基于管单元的有限元计算获得弯头在应力增大系数为1时的应力值ε0，再采用总的应力增大系数i1与ε0相乘，所得值ε1即为弯头精确应力。
[0032]和现有技术相比较，本专利技术具备如下优点：
[0033]i.应用本专利技术方法得到的应力值比引入规范应力增大系数得到的值更加精确，与
真实值之间的误差显著减小。如表2所示，本专利技术计算方法获得的应力值与真实值的相对误差最大为6.0％，而应用规范中应力增大系数得到的管路弯头应力值与真实值之间的误差最小为26.2％，最大为34.5％(表1所示)。
[0034]表1.实例管路应用规范应力增大系数所得弯头应力值误差表
[0035][0036]表2.实例管路应用本专利技术计算方法所得弯头应力值误差表
[0037][0038][0039]ii.本专利技术方法从根本上解决了管线弯头应力计算值与真实值之间误差较大的问题，应用常规的理论计算或基于管单元的有限元计算即可高效精确地获得弯头应力值，无需复杂计算。
[0040]iii.本专利技术方法的适用性广泛，可以用来计算弯头在不同情况下的精确应力。在不同载荷、管径、弯头曲率半径、壁厚和温度情况下，应用本专利技术方法均可得到精确的应力值。
附图说明
[0041]图1为管弯头变形前后示意图。
[0042]图2为实例管路结构示意图。
[0043]图3(a)为实例管路管单元模型、图3(b)为实例管路壳单元模型。
[0044]图4(a)为实例管路弯头1精确应力云图。
[0045]图4(b)为实例管路弯头1真实应力云图。
[0046]图4(c)为实例管路弯头3精确应力云图。
[0047]图4(d)为实例管路弯头3真实应力云图。
[0048]图5(a)为实例管路弯头1、2在不同载荷下应力对比图。
[0049]图5(b)为实例管路弯头3在不同载荷下应力对比图。
[0050]图6(a)为实例管路弯头1、2在不同管径下应力对比图。
[0051]图6(b)为实例管路弯头3在不同管径下应力对比图。
[0052]图7(a)为实例管路弯头1、2在不同曲率半径下应力对比图。
[0053]图7(b)为实例管路弯头3在不同曲率半径下应力对比图。
具体实施方式
[0054]下面将结合附图和实例对本专利技术作进一步的详细说明。
[0055]本专利技术是一种精确的管线弯头应力计算方法，该方法主要包括以下几个步骤：
[0056]步骤一：计算管线位移影响下弯头应力增大系数。
[0057]由于管线位移会引起弯头截面椭圆化变形，进而造成应力集中，所以需要考虑管线位移导致的应力增大。首先引入柔性特性，并在此基础上计算应力增大系数。同时，因为管路弯头平面内和平面外的变形差别，故将管线位移影响下弯头应力增大系数的计算分为平面内和平面外两部分：
[0058]平面内：
[0059][0060]平面外：
[0061][0062]步骤二：计算外载荷影响下弯头应力增大系数i
F
。
[0063]由于外载荷在弯头处的弯矩引起弯头截面椭圆化变形，导致应力增大。因此，外载荷影响下弯头应力增大系数采用如下公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精确的管线弯头应力的计算方法，该方法包括以下步骤：步骤一：计算管线位移影响下弯头应力增大系数；由于管路弯头平面内和平面外的变形差别，故将管线位移影响下弯头应力增大系数的计算分为平面内和平面外两部分：平面内：平面外：式中：为柔性特性；T，R，r分别为弯头壁厚、曲率半径、管平均半径；步骤二：计算外载荷影响下弯头应力增大系数i
F
；由于外载荷在弯头处的弯矩引起弯头截面椭圆化变形，导致应力增大。因此，外载荷影响下弯头应力增大系...

【专利技术属性】
技术研发人员：白长青，张腾，顾振杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：