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    高溫高壓管道彎頭塑性極限分析

    2019-04-12   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港消息報道稱:關鍵材料對動力電池安全性的影響首先,隔膜垂直方向上的機械強度越高,電池發生微短路的幾率就越小。因此在隔膜表面復合陶瓷涂層等可以大幅度地改善動力電池的安全性。隔膜的微孔關閉功能是改進動力電池安全性的另一方法,隔膜該功能的原理是當電池溫度上升到一定值時,組成微孔隔膜的聚合物發生熔融,微孔結構被破壞,電解液中鋰離子的遷移通道被阻斷,電池放電停止,可以在一定程度上改善動力電池的安全性。另一方面,隔膜的熱收縮特性對電池的安全性也非常重要。如果電池溫度上升造成隔膜收縮,從而引發正負極間短路,使電池溫度急劇升高,引發熱失控。因此,隔膜的熱收縮率越小,電池的安全性能越好。普通商品隔膜在溫度為120C和150C時的熱收縮率分別為22%和42%,而復合陶瓷涂層隔膜的熱收縮較小,在上述溫度下的熱收縮率可達到5%和14%.如果隔膜熱收縮率在150C下小于5%,則隔膜對電池安全性的貢獻就不可忽視。
      
      將彎頭材料簡化為理想彈塑性,同時考慮幾何非線性,分析得到核電廠安全注入系統中某管道彎頭在壓力和溫度載荷作用下的塑性極限載荷分布規律。
      
      1前言管道彎頭是核電廠管道系統中的重要管部件之。管道彎頭可能受到自重、內壓、面內彎矩、面外彎矩、扭矩、軸力等載荷作用,使其成為壓力管道系統中較薄弱且容易失效的關鍵部件。
      
      在核電廠管道系統設計中,溫度與壓力是管道彎頭的工作載荷,也是管道彎頭結構設計時考慮的主要載荷形式。本文利用ANSYS有限元分析軟件,將彎頭材料簡化為理想彈塑性材料;在溫度與壓力載荷作用下,對核電廠安全注入系統中某管道彎頭進行塑性極限分析,得出管道彎頭應力分布規律、塑性屈服面隨載荷增加的擴展規律、彎頭最終失效破壞規律以及塑性極限壓力,為核電廠管道系統設計提供理論依據。
      
      2高溫高壓作用下彎頭的有限元非線性分析采用非線性有限元數值分析技術分析核電廠安全注入系統中核級管道彎頭在高溫高壓作用下的彈塑性行為。彎頭的幾何尺寸為0219.1mmx10mm;彎曲半徑尺=305mm;彎頭內介質最高溫度120C;彎頭處的環境溫度20C.幾何模型如所示。
      
      2.1有限元模型彎頭以及與之相連接的直管段采用8節點的幾何模型Fig. SOLID185單元。考慮到管道系統中彎頭與直管相連接的實際情況,在彎頭兩端分別增加直管段。根據可知,隨著約束直管段長度的增長,彎頭極限載荷最大誤差不超過3%.因此,建立管道彎頭模型時,兩端直管段的長度取為彎頭直徑的5倍(1=5功。
      
      2.2材料性能在有限元分析中,假設材料為理想彈塑性材料,不考慮材料的應變硬化效應。根據國內外已有的試驗經驗,選取真實材料的屈服強度和抗拉強度'的平均值為有限元模型材料的流變應力CTf.彎頭材料的力學參數如表1. 2.3約束與載荷本文的主要研究對象是管道彎頭的塑性變形特性。為了消除由于約束導致的影響,在彎頭兩分析時,采用大變形技術能夠得到滿足工程需要的彎頭塑性載荷數值解。
      
      有限元模型網格劃分圖Fig.由于不同溫度下彎頭的屈服極限有所差異,為了準確得到彎頭的塑性極限載荷以及彎頭塑性區域的擴展和分布規律,重點分析了彎頭典型位置的應力-應變關系、塑性區擴展規律以及彎頭的變形規律。各個典型位置分布如。
      
      用非線性有限元分析結構的極限載荷,需要以增量的形式施加載荷。為保證最后計算結果的精度,需給出合理的載荷步長。本文采用2步加載方案:第1步加載采用試算法,加載到結構最大等效應力達到屈服極限之前;第2步分為50子步,以保證每一子步不超過極限載荷的1°%. 3塑性極限載荷分析為能夠真實反映彎頭在外載荷作用下的變形和塑性承載能力,利用ANSYS軟件進行非線性3.1高溫高壓管道彎頭塑性極限載荷確定由于管道彎頭首先出現屈服的是彎頭內拱外壁處,即4典型位置處,為了確定彎頭塑性極限載荷,選取管道彎頭內拱外壁中心點的壓力-應變曲線,結合ASME規范定義的極限載荷確定方法,最終確定管道彎頭塑性極限載荷。
      
      ASME規范定義的極限載荷確定方法是2倍彈性斜率準則,即在過載荷-變形曲線的原點作一載荷曲線,使該線與縱坐標的夾角和載荷-位移曲線的彈性段與縱坐標的夾角0之間存在以下關系:通過將有限元分析結果處理后,得到彎頭內拱外壁中點處的壓力-應變曲線。根據2實際計箅/砬力戍變曲線2倍彈性斜率計箅1丨丨1線位移/mm管道彎頭內拱外壁處壓力-應變曲線壓力載荷作用下彎頭應力分布規律倍彈性斜率準則,可計算出彎頭的塑性極限壓力是27MPa.當壓力超過該限值后,即認為彎頭結構變成幾何可變機構,塑性變形可以自由發展,彎頭不能承受更大的載荷,從而使管道彎頭失去承載能力。
      
      3.2管道彎頭應力分布規律加載初期由于管道彎頭處于彈性狀態,因此彎頭應力隨內壓的增加而逐漸增加,最大壓力位于彎頭內拱外側;隨著壓力的增加,管道彎頭內拱外壁首先進入屈服狀態,彎頭外拱外壁處的應力不再隨內壓的增加而增加,到達恒定狀態;隨著內壓進一步增加,應力達到恒定的區域由外向內擴大;當壓力達到彎頭塑性極限壓力時,彎頭全部達到塑性極限狀態,應力不再隨壓力的增加而增加。彎頭應力分布隨壓力增加的變化規律如、所示。
      
      3.3管道彎頭塑性變形規律由彎頭塑性極限有限元分析結果可知,首先各個典型位置處應力隨壓力增加的變化規律發生屈服的部位是管道彎頭內拱外壁,最大塑性變形位于彎頭外壁中間點兩側。已經屈服的部分應力不再增加,但變形卻進步發展,即發生塑性變形;隨著壓力的增加,屈服面沿著彎頭壁厚方向向內擴張,最大塑性變形位置由外壁中點兩側向外壁中點擴展;當彎頭達到塑性屈服極限狀態時,最大塑性變形位于彎頭外供外壁中點處。中國鋼管信息港消息報道稱
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