大口径直埋供热管道90°弯头疲劳寿命的有限元分析

论文摘要

随着集中供热规模的不断扩大,大口径、高压力的直埋供热管道得到了普遍的应用,管径尺寸已经达到DN1400。但是国内没有针对大口径直埋管道明确的受力计算方法标准,尤其弯头,沿用DN500以下规程的设计理论,将其简化为一个点,仍采用弹性抗弯铰解析法进行应力计算,工程中大量设置固定墩和补偿器来保护弯管。本文通过对大口径直埋供热弯头的力学研究,在复杂的力的作用下,对位移、应力的精确计算,可以达到减少固定墩和补偿器的使用数量,减小工程造价,加快施工速度,增强管网的可靠性之目的。本文针对大口径直埋供热弯头,做了以下几个方面的工作：1.对大口径直埋供热管道进行全面的受力分析：考虑管道以及介质本身的重量、地下水位的浮力、管顶覆土重力、地面交通载荷以及堆积载荷的作用,对大口径直埋供热管道的垂直荷载进行了理论分析,选择出更接近实际的管道受力计算公式。2.简要介绍了弯头加工工艺,加工过程中弯头存在的缺陷：如壁厚不均、截面椭圆化。这些必然影响到弯头应力大小和应力分布情况,为有限元建立模型提供了理论依据。3.进一步分析了国内DN500以下直埋技术规程关于弯头的应力计算方法,通过大量计算和对计算结果的分析表明,管网设计压力、埋深、循环工作温差、弯头的曲率半径和转角大小对直埋供热水平、竖向转角管段弯头的承载能力有不同程度的影响,其中循环工作温差、弯头的曲率半径和转角管段的折角的影响最为明显。对国外规范关于弯头的施工处理,以及疲劳寿命验算,进行了简单的介绍,这些作为有限元数值计算的理论依据。为有限元模型载荷施加、参数的选择,提供了理论依据。4.利用有限元软件,对理想弯头、不等壁厚弯头、椭圆化弯头等,在内压荷载、位移荷载(温度荷载)等作用下进行了数值模拟。从模拟结果中,得出了各种影响因素对弯头最大当量应力的定量影响关系。利用曲线拟合方法,拟合出理想弯头的最大当量应力和内压荷载、位移荷载的关系式。以此为依据,通过弯头不等壁厚和椭圆化情况的修正,就能通过简单计算得到实际弯头的精确地数值计算结果。5.最后通过工程实例,证明简化公式的合理性。现有DN500以下直埋技术规程继续应用于大口径直埋供热弯头的疲劳强度验算,过于保守,不能充分发挥出弯头的潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的背景和意义
• 1.1.1 城市集中供热管网改造"十一五"规划
• 1.1.2 直埋供热管道设计发展史
• 1.1.3 直埋供热弯头的国内外研究
• 1.1.4 本课题研究的意义
• 1.2 本课题研究的方法和内容
• 1.2.1 本课题研究的方法
• 1.2.2 本课题研究的内容
• 第二章 直埋供热管道垂直受力分析
• 2.1 垂直静土压力的计算
• 2.1.1 《规程》计算方法
• 2.1.2 《输油管道工程设计规范》计算方法
• 2.1.3 《区域供热手册》计算方法
• 2.1.4 欧洲规范EN13941
• 2.1.5 各种静土压力计算公式分析
• 2.2 交通荷载的计算
• 2.2.1 规范中汽车参数
• 2.2.2 地面车辆荷载标准值
• 2.2.3 地面堆积荷载
• 2.3 垂直总荷载的计算
• 2.4 小结
• 第三章 弯头加工工艺的介绍
• 3.1 锻造工艺
• 3.2 热压工艺
• 3.3 推制工艺
• 3.4 冷弯工艺
• 3.5 热煨工艺
• 3.6 感应加热芯棒导向推挤加工工艺
• 3.7 热压-对焊工艺
• 3.8 小结
• 第四章 相关规范针对直埋弯头的应力计算
• 4.1 直埋规程
• 4.1.1 弯管的工程做法
• 4.1.2 强度条件
• 4.1.3 弹性抗弯铰解析法对弯管的臂长要求
• 4.1.4 过渡段长度
• 4.1.5 水平转角管段计算
• 4.1.6 水平弯头的影响因素
• 4.1.7 向下弯竖向转角管段计算
• 4.1.8 向下弯竖向转角管段的影响因素
• 4.2 BS EN13941
• 4.2.1 弯头的作用力
• 4.2.2 内压作用下的弯头
• 4.2.3 管-土作用
• 4.2.4 弯头的低循环疲劳
• 4.3 小结
• 第五章 弯头的ANSYS模拟
• 5.1 有限元方法及ANSYS简介
• 5.2 ANSYS软件中的结构分析方法
• 5.3 直埋弯头受力分析模型
• 5.3.1 力作用
• 5.3.2 变形作用
• 5.4 理想弯头的有限元模拟
• 5.4.1 荷载施加
• 5.4.2 单元简介
• 5.4.3 有限元模型建立与求解
• 5.4.4 理想弯头计算式的修正
• 5.5 实际弯头的有限元模拟
• 5.5.1 不等壁厚
• 5.5.2 椭圆化
• 5.6 小结
• 第六章 工程实例
• 6.1 有限单元法
• 6.2 弹性抗弯铰法
• 6.3 拟合公式
• 6.4 小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附表一 管道基本数据表
• 附录二 ANSYS命令流
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文