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    高温高压管道弯头塑性极限分析

    2019-04-12   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港消息报道称:关键材料对动力电池安全性的影响首先,隔膜垂直方向上的机械强度越高,电池发生微短路的几率就越小。因此在隔膜表面复合陶瓷涂层等可以大幅度地改善动力电池的安全性。隔膜的微孔关闭功能是改进动力电池安全性的另一方法,隔膜该功能的原理是当电池温度上升到一定值时,组成微孔隔膜的聚合物发生熔融,微孔结构被破坏,电解液中锂离子的迁移通道被阻断,电池放电停止,可以在一定程度上改善动力电池的安全性。另一方面,隔膜的热收缩特性对电池的安全性也非常重要。如果电池温度上升造成隔膜收缩,从而引发正负极间短路,使电池温度急剧升高,引发热失控。因此,隔膜的热收缩率越小,电池的安全性能越好。普通商品隔膜在温度为120C和150C时的热收缩率分别为22%和42%,而复合陶瓷涂层隔膜的热收缩较小,在上述温度下的热收缩率可达到5%和14%.如果隔膜热收缩率在150C下小于5%,则隔膜对电池安全性的贡献就不可忽视。
      
      将弯头材料简化为理想弹塑性,同时考虑几何非线性,分析得到核电厂安全注入系统中某管道弯头在压力和温度载荷作用下的塑性极限载荷分布规律。
      
      1前言管道弯头是核电厂管道系统中的重要管部件之。管道弯头可能受到自重、内压、面内弯矩、面外弯矩、扭矩、轴力等载荷作用,使其成为压力管道系统中较薄弱且容易失效的关键部件。
      
      在核电厂管道系统设计中,温度与压力是管道弯头的工作载荷,也是管道弯头结构设计时考虑的主要载荷形式。本文利用ANSYS有限元分析软件,将弯头材料简化为理想弹塑性材料;在温度与压力载荷作用下,对核电厂安全注入系统中某管道弯头进行塑性极限分析,得出管道弯头应力分布规律、塑性屈服面随载荷增加的扩展规律、弯头最终失效破坏规律以及塑性极限压力,为核电厂管道系统设计提供理论依据。
      
      2高温高压作用下弯头的有限元非线性分析采用非线性有限元数值分析技术分析核电厂安全注入系统中核级管道弯头在高温高压作用下的弹塑性行为。弯头的几何尺寸为0219.1mmx10mm;弯曲半径尺=305mm;弯头内介质最高温度120C;弯头处的环境温度20C.几何模型如所示。
      
      2.1有限元模型弯头以及与之相连接的直管段采用8节点的几何模型Fig. SOLID185单元。考虑到管道系统中弯头与直管相连接的实际情况,在弯头两端分别增加直管段。根据可知,随着约束直管段长度的增长,弯头极限载荷最大误差不超过3%.因此,建立管道弯头模型时,两端直管段的长度取为弯头直径的5倍(1=5功。
      
      2.2材料性能在有限元分析中,假设材料为理想弹塑性材料,不考虑材料的应变硬化效应。根据国内外已有的试验经验,选取真实材料的屈服强度和抗拉强度'的平均值为有限元模型材料的流变应力CTf.弯头材料的力学参数如表1. 2.3约束与载荷本文的主要研究对象是管道弯头的塑性变形特性。为了消除由于约束导致的影响,在弯头两分析时,采用大变形技术能够得到满足工程需要的弯头塑性载荷数值解。
      
      有限元模型网格划分图Fig.由于不同温度下弯头的屈服极限有所差异,为了准确得到弯头的塑性极限载荷以及弯头塑性区域的扩展和分布规律,重点分析了弯头典型位置的应力-应变关系、塑性区扩展规律以及弯头的变形规律。各个典型位置分布如。
      
      用非线性有限元分析结构的极限载荷,需要以增量的形式施加载荷。为保证最后计算结果的精度,需给出合理的载荷步长。本文采用2步加载方案:第1步加载采用试算法,加载到结构最大等效应力达到屈服极限之前;第2步分为50子步,以保证每一子步不超过极限载荷的1°%. 3塑性极限载荷分析为能够真实反映弯头在外载荷作用下的变形和塑性承载能力,利用ANSYS软件进行非线性3.1高温高压管道弯头塑性极限载荷确定由于管道弯头首先出现屈服的是弯头内拱外壁处,即4典型位置处,为了确定弯头塑性极限载荷,选取管道弯头内拱外壁中心点的压力-应变曲线,结合ASME规范定义的极限载荷确定方法,最终确定管道弯头塑性极限载荷。
      
      ASME规范定义的极限载荷确定方法是2倍弹性斜率准则,即在过载荷-变形曲线的原点作一载荷曲线,使该线与纵坐标的夹角和载荷-位移曲线的弹性段与纵坐标的夹角0之间存在以下关系:通过将有限元分析结果处理后,得到弯头内拱外壁中点处的压力-应变曲线。根据2实际计箅/砬力戍变曲线2倍弹性斜率计箅1丨丨1线位移/mm管道弯头内拱外壁处压力-应变曲线压力载荷作用下弯头应力分布规律倍弹性斜率准则,可计算出弯头的塑性极限压力是27MPa.当压力超过该限值后,即认为弯头结构变成几何可变机构,塑性变形可以自由发展,弯头不能承受更大的载荷,从而使管道弯头失去承载能力。
      
      3.2管道弯头应力分布规律加载初期由于管道弯头处于弹性状态,因此弯头应力随内压的增加而逐渐增加,最大压力位于弯头内拱外侧;随着压力的增加,管道弯头内拱外壁首先进入屈服状态,弯头外拱外壁处的应力不再随内压的增加而增加,到达恒定状态;随着内压进一步增加,应力达到恒定的区域由外向内扩大;当压力达到弯头塑性极限压力时,弯头全部达到塑性极限状态,应力不再随压力的增加而增加。弯头应力分布随压力增加的变化规律如、所示。
      
      3.3管道弯头塑性变形规律由弯头塑性极限有限元分析结果可知,首先各个典型位置处应力随压力增加的变化规律发生屈服的部位是管道弯头内拱外壁,最大塑性变形位于弯头外壁中间点两侧。已经屈服的部分应力不再增加,但变形却进步发展,即发生塑性变形;随着压力的增加,屈服面沿着弯头壁厚方向向内扩张,最大塑性变形位置由外壁中点两侧向外壁中点扩展;当弯头达到塑性屈服极限状态时,最大塑性变形位于弯头外供外壁中点处。中国钢管信息港消息报道称
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