常见问题
弯管应力分析及结构
更新时间 2021-11-20 08:34 阅读
弯管广泛应用于锅炉、石油化工、航空航天等各种压力容 器中，是管道系统的重要组成部分。随着现代技术的发展，管道 的安全应用越来越受到工程界的重视，而作为管道系统的重要 构件，弯管的研究也受到越来越多的关注。弯管的形状和结构 形式比较复杂，而且工程中使用的弯管受力复杂，对弯管进行 准确的力学分析是进行弯管设计制造和结构可靠性分析的重 要前提。
弯管的结构参数中，管径的大小由流体的流量和允许的压 力降确定，壁厚与弯管承受的内压和弯管的材料及工作温度有 关，弯管的弯曲度一般由经验确定。在对弯管力学分析中，传统 的分析方法都做出了一定的简化假设，与弯管的实际工作状态 存在一定的出入。流体流经弯管时的不均匀性；流体的流速；弯 管的弯曲度；管径；弯管加工缺陷产生的椭圆度，这些因素对弯 管的受力是否存在影响，一直没有进行系统的分析与研究。
流体流经弯管时，弯管内壁与流体相互作用，内壁的应力 应与流体一致。本文做为省科委课题的一个分支，从流体动力 学出发，对弯管内流体的应力、流速、压力进行了分析研究，并 由来自流体的压力计算了弯管的应力分布，讨论了弯管结构参 数：管径、弯曲度、椭圆度以及管内流体的设计压力、流速对弯 管受力的影响。为弯管的设计、制造、强度分析和工程应用提供 了理论保证。
弯管内流体的压力和弯管应力计算 弯管内流体的流动一般为湍流，是一种定常流，其压力采用 k一8方程。用有限元法进行计算，并由流体的压力进而计算弯 管的应力分布。为满足工程设计复杂化、多样化的需要，采用商 业有限元软件ANSYS，并以此为计算平台，编写差分计算机程 序并嵌入ANSYS进行设计计算，这样即使弯管结构变化，程序 都能使用，且可方便的进行后处理。计 算程序框图见图2所示
对称结构，所以有限元模型采用轴对称 单元，在ANSYS建立结构的有限元模 型时，将计算过程中所有的参数均设计 为变量形式，计算过程中根据实际问题 再输入其确定值。从而形成确定的计算 模型；根据入口流速、出入口的压力，计 算流体在管内壁处的流体压力，流体在 管壁处采取无滑移流动；最后由来自流 体作用在弯管内壁上的压力计算弯的应力。 由图3．4可见，流体流经弯管时，流体作用在弯管内壁上的 压力分布是不均匀的，弯管内壁外侧入口附近所受压力较大，而 内壁附近出口内侧相对较小，而且随着流体速度的增大，内外壁 的压力差相对增大，但速度变化对流体压力分布影响不大。由 此可见。过去对弯管强度分析时，将弯管内壁所受压力视为均匀 分布，且不考虑速度影响，是存在误差的。通过有限元法对流体 进行动力学分析，由来自流体的压力研究弯管的应力特性是有 必要的。
为弯管为不同管径时的应力分布。由图可看出。在其它 参数相同时，弯管管径增大，应力随之增大，所以在相同条件下， 管径增大，所需壁厚增加，以满足弯管强度的需要。
为弯管椭圆度对弯管应力的影响，在弯管的成形 过程中，由于不可避免的存在着加工缺陷，工程中使用的弯管常 存在一定的椭圆度等加工缺陷，随着椭圆度的增大，弯管应力相 对增大，且应力分布也随之变化，无椭圆度的弯管应力最大出现 在弯管内壁内侧，虽椭圆度增大，其逐渐向中型面附近转移。因 此应限制弯管的椭圆度，以保证弯管的强度，我国将弯管椭圆度 控制在7％以内。
以上通过对弯管的流体进行分析，计算了弯管内流体的粘 性应力，并得出弯管的粘性应力相对压力较小；并通过流体动力 学分析，得出了弯管内流体的压力分布，利用ANSYS软件，作为 计算平台，通过来自流体的压力实现了对弯管应力的研究，并就 弯管和流体参数对弯管应力的影响进行了分析探讨，可为弯管 的设计和工程应用提供参考。
弯管的结构参数中，管径的大小由流体的流量和允许的压 力降确定，壁厚与弯管承受的内压和弯管的材料及工作温度有 关，弯管的弯曲度一般由经验确定。在对弯管力学分析中，传统 的分析方法都做出了一定的简化假设，与弯管的实际工作状态 存在一定的出入。流体流经弯管时的不均匀性；流体的流速；弯 管的弯曲度；管径；弯管加工缺陷产生的椭圆度，这些因素对弯 管的受力是否存在影响，一直没有进行系统的分析与研究。
流体流经弯管时，弯管内壁与流体相互作用，内壁的应力 应与流体一致。本文做为省科委课题的一个分支，从流体动力 学出发，对弯管内流体的应力、流速、压力进行了分析研究，并 由来自流体的压力计算了弯管的应力分布，讨论了弯管结构参 数：管径、弯曲度、椭圆度以及管内流体的设计压力、流速对弯 管受力的影响。为弯管的设计、制造、强度分析和工程应用提供 了理论保证。
弯管内流体的压力和弯管应力计算 弯管内流体的流动一般为湍流，是一种定常流，其压力采用 k一8方程。用有限元法进行计算，并由流体的压力进而计算弯 管的应力分布。为满足工程设计复杂化、多样化的需要，采用商 业有限元软件ANSYS，并以此为计算平台，编写差分计算机程 序并嵌入ANSYS进行设计计算，这样即使弯管结构变化，程序 都能使用，且可方便的进行后处理。计 算程序框图见图2所示
对称结构，所以有限元模型采用轴对称 单元，在ANSYS建立结构的有限元模 型时，将计算过程中所有的参数均设计 为变量形式，计算过程中根据实际问题 再输入其确定值。从而形成确定的计算 模型；根据入口流速、出入口的压力，计 算流体在管内壁处的流体压力，流体在 管壁处采取无滑移流动；最后由来自流 体作用在弯管内壁上的压力计算弯的应力。 由图3．4可见，流体流经弯管时，流体作用在弯管内壁上的 压力分布是不均匀的，弯管内壁外侧入口附近所受压力较大，而 内壁附近出口内侧相对较小，而且随着流体速度的增大，内外壁 的压力差相对增大，但速度变化对流体压力分布影响不大。由 此可见。过去对弯管强度分析时，将弯管内壁所受压力视为均匀 分布，且不考虑速度影响，是存在误差的。通过有限元法对流体 进行动力学分析，由来自流体的压力研究弯管的应力特性是有 必要的。
为弯管为不同管径时的应力分布。由图可看出。在其它 参数相同时，弯管管径增大，应力随之增大，所以在相同条件下， 管径增大，所需壁厚增加，以满足弯管强度的需要。
为弯管椭圆度对弯管应力的影响，在弯管的成形 过程中，由于不可避免的存在着加工缺陷，工程中使用的弯管常 存在一定的椭圆度等加工缺陷，随着椭圆度的增大，弯管应力相 对增大，且应力分布也随之变化，无椭圆度的弯管应力最大出现 在弯管内壁内侧，虽椭圆度增大，其逐渐向中型面附近转移。因 此应限制弯管的椭圆度，以保证弯管的强度，我国将弯管椭圆度 控制在7％以内。
以上通过对弯管的流体进行分析，计算了弯管内流体的粘 性应力，并得出弯管的粘性应力相对压力较小；并通过流体动力 学分析，得出了弯管内流体的压力分布，利用ANSYS软件，作为 计算平台，通过来自流体的压力实现了对弯管应力的研究，并就 弯管和流体参数对弯管应力的影响进行了分析探讨，可为弯管 的设计和工程应用提供参考。
