液压胀管数值模拟-【新闻】

液压胀管数值模拟王海峰桑芝富石庭瑞= 210009；2.扬子石化检安公司，江苏南京210048管过程及拉脱试验算例。t符号说明W管板厚度，S.x残余接触压力分布a等效套筒直径爪残余接触压力，鳕，p，换热管中心距爪D7管孔模型外径，De管孔直径，Z管桥系数，2=户从户d，换热管外径，以随矜现代石油化工能源及核工业的迅猛发展。

管壳式换热器己成为应用最广的设备之。国内夕生产实践经验及研究资料明，大多数换热器的失效都发生在管子与管板连接部位管子与管板接头质量的好坏直接影响到生产的安全可靠性胀接是连接主要形式之，通常采用传统的机械滚柱胀管法，但存在劳动强度大，生产效率低，管子被胀部分内壁粗糙，残余应力大等缺点近年来，在胀管领域，现了液袋式胀符法和橡胶胀饩法等静乐胀符新工艺12！但如何根据生产中具体条件选择胀接压力和胀接结构等参数尚无现成规范此，寻求种快速准确的计算方法，解决液压胀管中相关结构参数和工艺参数的选取问题，为相应规范和标准修订提供参考依据，具有重要的工程意义和学术价值1液压胀管研究进展液压胀管过程的理论和计算研究，国内外学者做了不少工作由厂管板是种多管孔结构，胀青过程严格意义上讲是个维叫题由于维问题求解复杂。很多学者5试将这问题简化成维轴对称或平面应力问题来研究最早胀管过程理论探讨，分，由0叩1士；1和上1把厂1926年和1929年提出。在此基础上出。等运用弹塑性理论，将胀管问题简化成带孔的无限大平板问题，得至1了胀管接头残余应力和残余变形，显然，这种模型过高估计了管板的刚度。和，0仙0181将管板简化成外径为，的厚壁圆筒，提出了等效套筒的概念03，等采用维轴对称模型简化胀管模型进行有限元分析，研宄胀管接头过渡区的应力状态，以确定接头的应力腐蚀行为，不过对等效套筒的确定问题没有提及。必等将，确企为巾个换热管与周围管孔的切圆直径，采用平面应力理论来研究胀管问题认15和，1等加收稿日期2000101S将连接接头离散成多层筒体，采用增量分析法研究1接触压力的数值解，但对等效套筒的直径问题未做详细考虑。4 0；1采用非线性有限元和统学等方法做参数化分析，得到了等效套筒直径和残余接触压力与材料因素结构尺寸间的经验公式，指出换热管中心距是确定单管模型等效套筒直径的最重要因素，胀接压力管子弹性模量与屈服强度的比值付残公接触味力有显著影响WRKohlpaiiilrr考虑了换热管周围管孔的影响，取换热管按角形排列的191管板模型，得到了由管桥系数示的等效赛简直径的经验公式Alla.nflChaabanjj程序付胀管接头进行汁算机+限元模拟，并指出，虽然非线性接触问题仍是个难点，但非线性有限元方法在这领域将大有前景，甚至比传统的理论估算和试验测定方法更经济有效和准确。在理论研宄方面，国内学者和工程技术人员主要是利用弹塑性理论，建立维模型，并做了以下假设管子与管板均为理想弹塑性材料管子与管板系统处于他应力状态或轴对称状态小变形假设和材料服从奶屈服准则。桑芝富颜惠庚及顾建强等从理论和试验角度对液压胀管过程进行了分析7上海交大的汪建华等，用他们与日本联合研制的热弹塑性有限元程序进行了胀管接头弹塑性计律，但其朽卯在前1处理等方面还不铨想匡0瓶据静压胀管原理建立等效单管模型，对接头性能做了分析2入88液压胀管分析的应用液压胀管系种柔性加工方法，是涉及材料几何及状态非线性的接触过程接触1题存在两1较大的难点①在求解问题之前不能确切知道接触区域，另外接触衣面的接触状态随着载荷村料和边界条件而变化，有时接触状态的变化是突然的，因而接触状态的确定在着相当的难度，人多的接触问题需要算摩擦。摩撺使问题求解的收敛性变得困难因此，在过去相当长的时间内，人们往往借助于试验来研宄胀管问题，对涉及到接头摩擦接头沿胀接长度及过渡区的详细应力分布的计算等方面，所做的工作较少。随着现代力学计算数学和计算机技术的发展，计算机辅助工程0人己曰益进入各个工程领域友为人们解决程问题的席技高质量和低成本的设计方法NSYSClMVit6i这领域的佼佼t 13有常强火的结构1线性分析功能结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化，按其形成原因，分为状态几何和材料非线性接触妃状态非线性类彻个特殊而，要的集7谓51线性单元来解决状态非线性问题，非线性单元是其本身具有非线性行为的单元，而与其它单兀无关按接触方式，15的接触能力可分为点点点面和面面接触，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。点启接触单元主要用于模拟点点的接触行为，只能用于接触面间有较小相对沿动的情况点面接触单元无心预先知道确切的接触位置，接触面间也不需要保持致的网格，且允许有大变形和相对滑动面面接触单元是覆盖于模型接触面的足单兀。目标单元和接触单7通过接触对柯序，共享相同的实常数来识别接触与点面接触单元相比面面接触有几项优点①支持高阶和低阶单元②支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度矩阵计算，单元提供不对称刚度矩阵的选项③提供为工程目的所采用的更好接触结果汐口法向压力和摩擦应方没有刚体面形状的限制，刚体面的光滑性不是必须的，允许有自然的或分网引起的面不连续。，与点面接触单元相比，需要较少的接触单元⑥允许渐变初始穿透等多种建模效应能很好地解决胀管开槽结构中管子材料的大塑性变形人旧3能模解时，其将载荷分为系列增量的载荷步，并且在每载荷步内进行系列线性逼近达到求解平衡，闪此，4人的线性处理功能，为液压胀管的模拟提供了基础。

笔者利用人3软件的接触分析功能，选择面掘接触，对液乐胀接的全过程及接头拉脱进了模敬作为33在胀管模拟中的个应用算例，取无槽胀接结构进行分析。

2.1校型建立由于维问题的复杂性，如何合理地将该过程加以简化，建立单管模型，成为解决胀管问题的基础环节。单管模型等效套筒直径的选取对维分析结果有显著影响文中维轴对称单符模型的等效套筒直径按有关文献的经验公式计算9，该公式适用于换热管角形排列，管桥系数2为0.0.65对于换热管正方形排列，胀接压力材料因素等对等效套茼直径选取的影响1题有待尸进步研究为与维计算结果相对照，取7管孔模型的14建立了维模型模型管口伸出管板边缘2，管子为石油化T.设角形排列，尸=32，胀接压力为180由文献10长等效，筒直径为88Z+1.94683+0.98034将模型参数代入式。得到维轴对称模型的，43.361为了考察维模型外套筒直径对结果的影响，分别取办=40 43.36486080和10，单位均为1腿做了计簟访钢和16锻件的应力座变曲线阽闯阁1应力抑变曲线22单元选用及分网分别采用4节点等参元朽，42对维模型面掘接触单兀0他172和口1小伞兀丁318169模拟。维模型的管子与管板选用8节点等参元他诚45，管子与管板的接触采用维面面接触单元，筛侗74和目标单元丁3职17，模拟摩擦类型取基本的库仑摩擦模型，材料塑性为多线性等张化。维与维校型网格见阁23维模型⑴维模型以两个载荷步施加内压内压作用在距管板上下边缘各2处，以模拟胀头的作用位置。为增加求解过程的收敛，主要采取打开自动时间步长使用完全用1切刚度矩阵和线性搜索等措施使计算稳定化将以两个我荷步写入载荷步文件。进行连续求瞰2.4求解结果及分析由88后处理校块，得到胀管接头残余应力及残余变形接头的平均残余接触压力，可由后处理模块沿胀接长度路径积分导出维及仝维分析结果1.等效套筒饩径对维分析结果的影响见阁3随着增大。残余接触压力减小，且减小的趋势越来越平缓。同维分析结果比较，按文献9定所得到的维分析结果比较接近。从与文献许的试骑纟！果基本吻合，1接头残余接触压力MPa维模型维模型建立维轴对称模型，能够得到接头详尽的残余应力和残余变形，从而为分析接头性能提供依据。1= 43.36时，接头的残余应力和残余变形沿轴向的变化曲线见闯4和5胀接后，竹在内径23胀接过枵模拟在管板上下外边缘及管子壳程侧截面加轴向约此。对厚度为5胀接位置距1下边缘21的管板，得到的实际胀接长度应在42，左右，这与胀接接头的残余接触压力沿胀接长度分布不均匀，在距实际胀接长度边缘各31处存在很高的接触压力，然后有段低接触压力区，之后区域的接触压力较为均匀。这主要是由于管子在过渡区曲率变化文然。卸载时受较人的竹板回复力。导致在该域出现高接触压力，低接触压力区的形成系由管子回弹和管子与管板的摩擦限制变形所致因此，对开槽位置靠近管板中心的结构，可改善光管部分残余接触压力的均匀性，提高接头拉脱力和密封能力。

示意闺示意2.5接头拉脱试验模拟接头拉脱应力是胀接接头连接质咕的重要指标利用晷85接触单元特性。能模拟拉脱试验。

得到接头拉脱应力。在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前称作粘合状态，此时交界面上会有定的切应力产生，旦此应力超过库仑摩擦模型定义的切应力临界值时，两接触面开始滑动，进入滑动状态利用该性质在模拟胀接过程后进行拉脱模拟分析，在壳程侧管子截面逐步加轴向位移，并在结果输出选项中指示程序将每载荷子步结果写入数据库中求解，直到程序提醒有多个处理功能。将施加位竹化为拉脱时的外力尺拉脱试验模拟准确性，取决于对接头管子与管枞间摩擦因数的正确认知的基础数据比较缺乏参考，关文献相近衬料数值，取=4对上述模型进行拉脱模拟试验，可以得到厂=中。该模型的试验拉脱外力为191.与文中拉脱模拟所得数据基本致，3结语，利用8仿真软件接触分析功能。能很好±也模拟液压胀管及接头拉脱的全过程，且精度较高②单管模型等效套筒直径的选取对求解结果有显著影响，合理选择该参数建立维轴对称模型可代替维模型加何确定等效套筒直径有待于进步研究，笔者利用83软件。综介考虑材料胀接压力及结构尺寸开槽和不开把等闪素的影响。正在进行液报胀接接头在常温及作状态下的拉脱和密封性能的参数化研究及其结构优化等工作。

；既惠庚。石庭瑞。衿热的浪式液压胀。1；技术及其用1金庆大。换热器管板和管子橡胶胀管技术及其应用几化工桑芝富，朱跃钊。换热器管子着板胀接结构的安全可靠性研颜惠庚，张炳生，葛乐通，等。换热器的液压胀管研究胀接压力的确定几压力容器，1996，132126130.

颜惠庚，张炳生，葛乐通，等。换热器的液压胀管研究残佘接触压力与摩擦系数。压力容器，1996，134309顾建强。液压胀管极限压力及胀紧力计算压力容器，匡良明。静压胀管接头性能分析刀。石油化工设备，1999，孙俊。管子与管板液压胀接结构的模拟及强度研究山南张编

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