龍崗區(qū)304薄壁不銹鋼管卡壓式連接的有限元分析

　　1）概述

　　從2003年，我國(guó)室內(nèi)燃?xì)夤艿篱_(kāi)始使用龍崗區(qū)304薄壁不銹鋼管作為管材［1］。隨后國(guó)內(nèi)燃?xì)夤救缰貞c燃?xì)狻⑻旖蛉細(xì)?、四川燃?xì)?、新奧燃?xì)獾乳_(kāi)始嘗試使用薄壁不銹鋼管作為中低壓入戶(hù)燃?xì)夤艿赖墓懿?，在重慶、天津、成都、長(zhǎng)沙、深圳、佛山等地開(kāi)始試點(diǎn)使用［2-4］。

　　卡壓式連接是一種新型的管道連接技術(shù)，卡壓式連接采用專(zhuān)用的卡壓鉗或卡壓電動(dòng)工具對(duì)內(nèi)置密封圈的不銹鋼承口管接頭與不銹鋼管適配后，在管口處用恒定的壓力壓緊，從而起到密封和緊固作用［5］。

　　卡壓式連接的原理：通過(guò)設(shè)備將管接頭和不銹鋼管在卡壓處卡壓成六角形，在六角形的六個(gè)頂點(diǎn)處產(chǎn)生抱緊力，使得管接頭緊緊固定住不銹鋼管，從而實(shí)現(xiàn)連接。薄壁不銹鋼管道卡壓式連接方式見(jiàn)圖1。

圖1   薄壁不銹鋼管道卡壓式連接方式

　　　　針對(duì)不銹鋼管卡壓過(guò)程的密封性能要求，本文以DN25mm不銹鋼管為對(duì)象，采用ANSYS有限元分析軟件［6-7］，建立三維模型，模擬薄壁不銹鋼管的卡壓過(guò)程，分析管接頭與不銹鋼管重合卡壓的部位（以下統(tǒng)稱(chēng)為接觸面）上接觸間隙分布狀態(tài)、管接頭與不銹鋼管的彈性應(yīng)變及塑性應(yīng)變。卡壓過(guò)程中，卡鉗和管接頭之間存在邊界摩擦，隨著管接頭與鋼管之間的接觸間隙逐漸減小，因此，整個(gè)有限元模擬過(guò)程包含了材料非線性分析、邊界非線性分析和幾何非線性分析［8］。

　　2）有限元分析過(guò)程

　　2.1定義單元類(lèi)型和屬性

　　考慮模型具有塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、大應(yīng)變等特性，在模擬過(guò)程中選取八節(jié)點(diǎn)solid45單元建立離散化模型。

　　確定材料屬性。不銹鋼管和管接頭材料均為06Cr19Ni10，該材料的密度為7930kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為223MPa，抗拉強(qiáng)度為520MPa。為了進(jìn)行材料的彈塑性分析，本文采用了雙線性等向強(qiáng)化材料模型［9］，該材料模型多用于初始各向相同材料的大應(yīng)變分析。

　　2.2創(chuàng)建幾何模型

　　不銹鋼管選用GB/T19228.2—2011《不銹鋼卡壓式管件組件》中Ⅰ系列DN25mm不銹鋼管。在ANSYS建模時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中沒(méi)有考慮密封圈，卡壓作用面近似為圓形而非實(shí)際的六角形。取圖1b幾何模型右半部分的1/2建立有限元模型。管接頭長(zhǎng)度為32mm，不銹鋼管長(zhǎng)度為70mm，不銹鋼管插入管接頭25mm，模型組件參數(shù)見(jiàn)表1。模型以不銹鋼管左端起始處對(duì)應(yīng)的軸心為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，x為沿軸向方向、朝右為正方向，y、z均為沿徑向方向，y軸朝紙內(nèi)為正方向，z軸朝上為正方向。x=2mm到x=6mm截面之間的管接頭外壁

　　為卡壓面A，相應(yīng)的管接頭內(nèi)壁與不銹鋼管外壁為接觸面A。x=22mm到x=25mm截面之間的管接頭外壁為卡壓面B，相應(yīng)的管接頭內(nèi)壁與不銹鋼管外壁為接觸面B。由于實(shí)際卡壓過(guò)程中A處不銹鋼管容易往B處滑動(dòng)，為了卡緊不銹鋼管，A處卡壓面寬度和接觸面寬度比B處大1mm。具體1/4體模型見(jiàn)圖2。

　圖21/4體模型

　　2.3網(wǎng)格劃分

　　ANSYS軟件的網(wǎng)格劃分主要有自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格和掃掠劃分網(wǎng)格。同時(shí)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)有限元的計(jì)算結(jié)果有重要影響。一般劃分網(wǎng)格離散的單元越密集、形狀近于正方形，則數(shù)值積分精度越高，計(jì)算結(jié)果越接近真實(shí)情況。但隨著網(wǎng)格單元越密集，網(wǎng)格數(shù)量多到一定程度后，則會(huì)使計(jì)算機(jī)運(yùn)算的時(shí)間太長(zhǎng)。本文為了得到更精確的網(wǎng)格劃分結(jié)果，在網(wǎng)格進(jìn)行劃分前對(duì)所選面進(jìn)行網(wǎng)格劃分控制，并設(shè)定網(wǎng)格大小，即ESIZE命令。采用掃掠劃分網(wǎng)格，SWEEP命令完成體的網(wǎng)格劃分，所建立的有限元模型包含17992個(gè)單元，26307個(gè)節(jié)點(diǎn)。管接頭和不銹鋼管網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

　　圖3管接頭和不銹鋼管網(wǎng)格劃分

　　2.4加載與求解

　　在模型軸對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，并在管接頭和不銹鋼管沒(méi)有接觸對(duì)的一端施加全約束，在卡壓面處加載48MPa的壓力載荷，然后分析有限元模型等效應(yīng)力、管接頭和不銹鋼管的彈性應(yīng)變及塑性應(yīng)變情況，以及分析卡壓結(jié)束后管接頭與不銹鋼管的接觸間隙。故需施加兩步載荷。第一步載荷為壓力載荷，第二步壓力載荷為零，保存并求解。為了保證收斂性，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，使用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)中較小的時(shí)間步長(zhǎng)，采用線性搜索保證解的收斂性。

　　3）有限元分析結(jié)果分析

　　圖4為管接頭等效應(yīng)力云圖，圖5為不銹鋼管等效應(yīng)力局部放大云圖，圖中數(shù)值為等效應(yīng)力，相應(yīng)的單位為MPa。

　　圖4管接頭等效應(yīng)力云圖

圖5不銹鋼管等效應(yīng)力局部放大云圖

　　圖6為管接頭沿徑向Mises彈性應(yīng)變?cè)茍D，圖中數(shù)值為科學(xué)計(jì)數(shù)法形式，例如3.07E-5表示3.07×10-5，相應(yīng)的單位為MPa，圖7、8中的數(shù)值含義與此相同。由圖6可以看出，管接頭彈性應(yīng)變沿徑向逐漸增大，在接觸面（管接頭內(nèi)壁）處彈性應(yīng)變達(dá)到最大值，為0.00121，遠(yuǎn)離接觸面的左右兩側(cè)彈性應(yīng)變逐漸減小。

　　圖6管接頭沿徑向Mises彈性應(yīng)變?cè)茍D

　　圖7不銹鋼管沿徑向Mises彈性應(yīng)變局部放大云圖

　　圖8不銹鋼管沿徑向Mises塑性應(yīng)變局部放大云圖

　　圖7為不銹鋼管沿徑向Mises彈性應(yīng)變局部放大云圖。由圖7可以看出，不銹鋼管在卡壓處從接觸面（不銹鋼管外壁）到內(nèi)壁處的彈性應(yīng)變逐漸增大，在接觸面對(duì)應(yīng)的鋼管內(nèi)壁處彈性應(yīng)變達(dá)到最大值，為0.0014。沿接觸面左右兩側(cè)彈性應(yīng)變逐漸減小，遠(yuǎn)離接觸面部位的不銹鋼管右端彈性應(yīng)變非常小甚至無(wú)變化。

　　圖8為不銹鋼管沿徑向Mises塑性應(yīng)變局部放大云圖。由圖8可以看出，不銹鋼管在卡壓處從接觸面（不銹鋼管外壁）到內(nèi)壁處的塑性應(yīng)變逐漸增大，在接觸面對(duì)應(yīng)的不銹鋼管內(nèi)壁處塑性應(yīng)變達(dá)到最大值，為0.0274。沿接觸面左右兩側(cè)塑性應(yīng)變逐漸減小，遠(yuǎn)離接觸面部位的不銹鋼管右端塑性應(yīng)變非常小甚至無(wú)變化。

　　圖9為接觸面（不銹鋼管外壁）的接觸間隙云圖，圖中數(shù)值為接觸間隙，相應(yīng)的單位為mm。由圖9可知，接觸面最大間隙為1.44×10-3mm，最小間隙為0mm。接觸面B中的接觸間隙非常小，且間隙大的部位的面積占接觸面B的面積的比例也非常小，因此，接觸面B處已形成有效密封。接觸面A中的間隙較大，但是最大間隙是在接觸面A中間部位，而接觸面兩端間隙非常小，趨近于0，因此，接觸面A處已形成有效密封。

　　圖9接觸面的接觸間隙云圖

　　4）結(jié)論

　　以DN25mm薄壁不銹鋼管為模型對(duì)象，采用ANSYS有限元軟件，建立三維模型，分析薄壁不銹鋼管卡壓后模型的應(yīng)力、應(yīng)變及接觸面接觸間隙，得出以下結(jié)論：

　?、僭?8MPa的卡壓壓力下，管接頭等效應(yīng)力最大處在接觸面（管接頭內(nèi)壁）處，最大值為223MPa。不銹鋼管等效應(yīng)力最大處為接觸面對(duì)應(yīng)的不銹鋼管內(nèi)壁處，最大值為287MPa。

　?、谠?8MPa的卡壓壓力下，管接頭達(dá)到要發(fā)生塑性變形的臨界值，但并未發(fā)生塑性變形，只發(fā)生彈性變形。不銹鋼管在接觸面處從外壁到內(nèi)壁整體都發(fā)生了彈塑性變形，塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變。

　　③卡壓結(jié)束后，接觸間隙最大值為1.44×10-3mm，最大接觸間隙均出現(xiàn)在接觸面的中間部位且所占的比例較小，接觸面左右兩端接觸間隙趨近于0，故接觸面形成良好密封。

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