基于Pro/E的变径管失效分析及结构优化设计

　　有限元法可以用来求解零部件的应力、应变,在零部件结构设计和优化中已经得到了广泛应用。在零部件失效分析和修复性再设计中,可以利用 Pro/Engineer功能完成三维建模,再利用Pro/Mechanica模块的有限元分析功能进行应力分析,发现零部件强度薄弱部位,然后在Pro /Mechanica模块中进行零部件结构修改,并进行应力分析。如此反复就可以得到适用的零部件结构参数。本文用Pro/Mechani-ca软件对异 径管断裂现象进行分析和结构改进,介绍Pro/Mechanica软件在零件结构设计中的应用。

　　1　失效原因分析

　　某化工厂汽水分离器中有1个异径管发生断裂。图1为该异径管的结构。该异径管安装在蒸汽排空管线中。断裂处位于锥形管直径较小的一端(简称锥体 小端)到直管之间的过渡区域。异径管的材质为20钢,工作温度为350℃,工作压力为4. 2MPa。失效时工作压力为4. 7MPa,管内介质为饱和蒸汽。

　　锥体小端发生的是横向失效,因此根据该处的纵向拉应力进行强度校核(暂不考虑应力集中)。

　　锥体小端受到的拉应力由2部分组成:由蒸汽压力产生的纵向拉应力δ1,和风载荷作用在此处的弯矩产生的最大拉应力δ2。由文献[1]第16~19页得

　　式中,N为管中蒸汽压力产生的轴向力,A为异径管小端的横截面积,p为异径管中蒸汽压力,MPa;Di为异径管小端内径,mm;δ为异径管小端壁厚,mm。

　　将p=4. 7 MPa、Di=98 mm、δ=3 mm代入式(1)计算,得δ1=37. 24MPa。

　　由文献[2]第167~173页得

　　式中,Ff为风载荷,根据连接在异径管上端安全阀的迎风面积和天气情况估算,估算值为300. 623 N;h为将风载荷简化成集中载荷时,其作用点离锥体小端的纵向距离,取430 mm;Wz为锥体小端处的抗弯截面模量,mm3

　　将Di=98 mm、δ=3 mm代入式(3)计算,得Wz=23. 36 mm3。

　　将Wz=23. 36、Ff=300. 63 N、h=430 mm代入式(2)计算,得δ2=5. 333MPa。

　　将δ1与δ2相加得到锥体小端受到的最大拉应力为42. 776MPa,取为43MPa。

　　根据国家标准GB150—1998,钢制压力容器在350℃时20钢管的许用应力为92MPa,因此异径管强度能够满足使用要求。由于失效发生 在锥体小端处,而且异形管形状变化较大,初步判断失效是由应力集中引起的。为验证这一推断,用Pro/Mechanica软件对异径管进行有限元分析。

　　2　几何模型的建立和有限元分析

　　在不影响锥体小端力学分析的前提下,对该异径管结构进行适当简化,忽略安全阀的外形。为了显示风载荷的作用点位置,将直管长度延长到430 mm。