异径焊制三通应力的有限元分析

２ 有 限元计算 模型
面体后 ，再用六面体单元映射 ，得到的有限元 模型 如 图 ３所 示 。单 元 沿厚 度方 向分 为 三 层 ，
共计 ３０ 个单元 ， １６ ６０ ５ ５ 个节点。 ２ ２ 位移约束及加载 ． 在 图 ３所 示 的 有 限 元 模 型 中 ，对 端 面 Ｂ 约束 ｚ方 向位移 ，对端面 Ｅ约束 方 向位移 ， 在 对称 面 ｃ 施 加 方 向的对 称 约 束 ， 上 在对
关键 词 有 限元 应力 分析 异径 焊制三 通
Ｏ 前 言
三通是 管道 系统 中的一 种重 要构 件 ，在石
化工业 的大管径管 道 中，采用焊 接型式很普
遍。由于三通结构为不规则的几何异形体 ，主 管和支管相贯 ，相当于在圆柱简体开孑 ，这使 Ｌ
得其应力分布 比较复杂。通常，工程上采用应
参 考 文 献
１ 沈 松 ，黄 振仁 ，顾 竟成 ．压力 管道 安全 技 术．南京 ： 东南 大学 出版社 ，２０ ００． ２ 唐永进．压力管道应力 分析．北京 ：中 国石化 出版社 ，
２０． ０ ３
４ 结论
（ ）三通在 焊缝 附近 应力集 中程 度很 １ 大 ，其应力水平 比直管段高出数倍。在焊制三
化 图 ；图 ７给 出了沿 ａｃ 径主 管 与支 管 内表 ｂ路 面各点环 向和轴 向应 力 的变 化 图 。各 路径均 示
于 图 ３ 。
毯
（ ）由图 ４ １ 、图 ５和图 ６可 见 ，由于 三
通 主 、支 管 相贯 ，三 通 的内外壁 应力 在连接 处
图 ７ 轴 向 ａｃ ｂ 路径 内表面 的应力分布
单 元划 分 网格 ，对 三通 进行 有限 元分析 ，得到
成 。考 虑到结 构 和载荷 的对称 性 ，本文 只取三 通 的 １４建立模 型 ，在对 称面上 给 予相应 的约 ／ 束 条件 。建立 的分 析模 型如 图 ２所 示 。分 析模 型 方 向为主管 轴 向 ，ｙ方 向为 支管 轴 向 。模 型 由支 管部 分 １和 主管 部 分 ２ 、３组 成 。１ 、３
Hale Waihona Puke 超低温微粉制备成套设备人选浙江省重点科研项 目
国家 重点 高 新 技术 企 业 浙 江丰 利 粉碎 设 术 采 取 了技 术 封 锁 措 施 ， 发 展 我 国 的 超 低 温 微 粉 制 备 技 术 已 成 为 提 升 中 药 制 备 技 术 最 关
键 的途径 之一 。
备 有 限 公 司 与 中 国 航 空 工 业 总 公 司 第 ６ ９研 ０ 究 所合 作 开发 的生 物 医药 工 程 的超 低 温微 粉
又有 巨 大的社 会效益 。
浙 江 丰利 研 发成 功 这 一成 套设 备 后 将拥 有 自主 知 识 产 权 ，其 创 新 点 在 于 将 空 气 涡 轮 膨 胀 超 低 温 冷 却 装 置 与 粉 碎 机 有 机 结 合 ，体
现 系 统 的 完 整 性 ，较 大 的 节 能 效 果 和 良 好 的
粉 碎 特 性 ；采 用 合 理 的 粉 碎 间 隙 、 刀 具 形 状 、 粉 碎 结 构 来 达 到 理 想 的 粉 碎 效 果 ；选 取 合 适 的超 低 温 钢 材 ， 保 证 设 备 的 稳 定 性 ；采 用 自 动 化 控 制 系 统 ，实 现 良好 的 人 机 界 面 控 制 。 该 成 套 设 备 选 用 航 空 航 天 技 术 制 成 的 空 气 式 超 低 温 冷 冻 装 置 ，可 粉 碎 在 常 温 下 难 以 粉 碎 的物 料 ，如 中 药 材 、 高 附 加 值 食 品 、 动 物骨 头 、高附 加值 生 物 材 料 等 热敏 性 及 受 热 易 变 质 、 易 分 解 的 物 质 ， 通 过 低 温 粉 碎 使 这 些 物 质 的 细 度 大 大 提 高 ；而 且 可 利 用 物 料 的 脆 化 温 度 不 同 进 行 选 择 性 粉 碎 ， 最 终 各 自分 离成 纯净 单一 的粉 体 。其 推 广应 用 不 仅 为这 些 行 业 提 供 了 理 想 的 低 温 粉 碎 加 工 设 备 ， 同 时 由 于 共 性 技 术 的 突 破 ，使 得 相 关 产 业 的 核 心 竞 争 力 增 加 ： 如 中 药 的 超 微 细 粉 体 材 料 的 制 成 将 有 效 提 高 产 品 的疗 效 ； 生 物 工 程 行 业 的 超 微 细 粉 体 材 料 的 制 成 将 使 各 种 保 健 品 的 吸 收性 大大增 加等 。 （ 吴宏富）
制 备 成 套 设 备 ， 日前 列 入 ２ ０ ０ ６年 度 浙 江 省 科 技 计 划 重 点 科 研 项 目 （计 划 编 号 ： ２０ Ｃ １５ ） 该 项 目的研 制 ，将 解 决 在 常 ０ ６ ２０ ６ 。 温 下 难 以粉 碎 的 生 物 医 药 材 料 的 粉 碎 难 题 ， 给 我 国生 物 医药 工 程行 业 提供 生产 高 附 加值 粉 体 材 料 的 新 设 备 ，既 有 可 观 的 经 济 效 益 ，
通 时 ，应保 证焊缝 质 量 。
３ 王致祥 ，梁志钊 ，孙 国模 ，等 ．压力 管道分析 与计算． 北京 ：水利电力 出版社 ，１８ ． ９ ３ ４ 岳 进 才．压 力 管 道 技 术． 北京 ：中 国石 化 出版 社 ，
２ ０１ ｏ ．
（ 收稿 日期 ：２ ０ －３２ ） ０ ６０ －１
力加 强 系数或 削弱 系数 等 ，对 三通 进行 应
图 １ 三 通 结 构
力分 析 。但是 这些 系数 与三通 的柔 性和具 体结
构等因素有关 ，很难精确确定。因此 ， 这类方 法都存在较大 的近似性 。为了全面了解三通的 受力情况 ，笔者利用 Ａ Ｓ Ｓ． ，采用六面体 Ｎ Ｙ ９０
图 ４ 三通 轴向 ａｃ ｂ 路径 应力分 布
加
ｍ
０ 图 ５ 三通支管轴 向 ｄｆ ｅ路径应力分 布
图 ３ 三通有限元分析模 型
称面 Ａ和 Ｄ上施 加 ｙ 向的对称约束。这样 方
得到约束充分的有限元分析模型。在三通 内表
面施加 １０ Ｐ ．Ｍ ａ的内压 ，并利用 Ａ Ｓ Ｓ ． Ｎ Ｙ ９０计 算。
的连接 部位 ，应力 才发 生波 动 。环 向应 力急剧 增 大 ，而轴 向应力 先增 后减 。在 三通 肩部 的环 向应力 远 远 大 于 轴 向应 力 ，此 处 容 易 出 现 裂
纹
２ ７
（ ）鉴 于三通 肩 部 和腹 部 ，特 别 是 肩 部 ２
的应力集中很大 ，宜采取较合理 的焊缝结构 ， 使其受力得到改善。在压力较高的管道 ，最好 采用有加强的三通结构。 （ ）Ａ Ｓ Ｓ ３ Ｎ Ｙ 软件可以应用于复杂管件的 应力分析 ，其结果是可信的。
２ １ 有限元模 型 的建 立 ． 文 中分 析 的三 通 由主 管与支 管直 接焊 接而
杨宁祥 ，男 ，１８ ９ ２年 ８月生 ，硕 士研究 生。大连市 ，１６ １ 。 １０ ２
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异径 焊制 三通 应 力的 有 限元分析
图 ２ 三通分析模型
发生波动 ，均产生较大的应力梯度 ，并在三通 的肩部（ 点） ｂ 和腹部（ 点） ｅ 出现峰值应力。这
两个部位为危险部位。三通 的内壁峰值应力 比
外壁 大 。 由图 ６可 知 ，三通 的最 大应 力 出现在
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《 化工装备技术》 第 ２ 卷 第５期 ２０ ７ ０６年 肩部。根据计算结果 ，其应力水平大致为直管 段的六倍左右。 （ ）由图 ７ ２ 可知 ，三通上各点的应力随 其在管壁的位置不 同而不 同。在远离相贯处 ， 应力分布基本和直管相同。只有在主管与支管
了满足工程精度要求的应力解 ，并 以此分析三 通 的应 力分 布规律 ，可 以为 工程 安全评 定及工 程配管设计作参考 。
１ 焊 制 三通结 构
部分为六面体 ， 直接用六面体单元映射 。中间 部分 ２为七 面体 。将 ２沿 方 向分割 成两个 六
本文建立了如图 １ 所示 的三通计算模型 ， 应用 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 软件计算应力后 ，进行分析。
超 低 温 粉碎 技 术 是最 重 要 的粉 体 加工 技 术 之 一 ，在 新 药 研 制 、保 健 品 开 发 、 生 物 工 程 、 食 品 加 工 等 行 业 得 到 了 广 泛 应 用 。超 低 温 粉 碎就 是 先 在常 温 下把 难 以粉碎 的物 质冷 冻 到 脆 化 点 以 下 ， 然 后 在 粉 碎 机 内 被 粉 碎 到
所 需 的 细 度 ，而 且 原 成 份 不 会 破 坏 。 低 温 冷
冻 粉碎 工 艺 是利 用 液 氮或 空 气 为制 冷 介 质进 行 粉 碎 。利 用 液 氮 作 为 制 冷 介 质 的 低 温 冷 冻 成 本 高 ，很 难 被 附 加 值 低 的 产 品 采 用 。 而 利 用 空 气 制 冷 来 进 行 的低 温 冷 冻 粉 碎 与 液 氮 制 冷 的 低 温 冷 冻 粉 碎 相 比 ，成 本 要 低 得 多 。 根 据 我 国 的 国 情 ，选 用 空 气 作 为 制 冷 介 质 的 低 温 冷 冻 粉 碎 机 及 成 套 设 备 是 我 们 所 要 研 究 的 新 课 题 。 目前 ，我 国 超 低 温 微 粉 制 备 技 术 还 没 有 形 成 国 产 化 ，而 且 日本 等 国 家 对 此 类 技
３ 结果 与分析
由于三 通 内外 表 面各点 均处 于复 杂应 力状
图６ 相贯线 ｂ 路径 的应力分布 ｅ
态，为便于计算 比较 ，在得到各点三个主应力 后 ，采用第 四强度理论，求得等效应力进行分 析 。图 ４给 出了沿 三通 管道 ａｃ路径 的应 力变 ｂ
化 图；图 ５和图 ６分别给出了沿支管方 向 ｄｆ ｅ 路径的应力变化图和相贯线 ｂ 路径 的应力变 ｅ
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《 化工装备技术》 第 ２ 卷 第５期 ２０ 年 ７ ０６
异 径 焊 制 三通应 力 的有 限元分 析