工业管道系统流致疲劳寿命的数值模拟

尹晓文 田泽 韩阳 李志强

尹晓文, 田泽, 韩阳, 李志强. 工业管道系统流致疲劳寿命的数值模拟[J]. 高压物理学报, 2018, 32(6): 064102. doi: 10.11858/gywlxb.20180559
引用本文: 尹晓文, 田泽, 韩阳, 李志强. 工业管道系统流致疲劳寿命的数值模拟[J]. 高压物理学报, 2018, 32(6): 064102. doi: 10.11858/gywlxb.20180559
YIN Xiaowen, TIAN Ze, HAN Yang, LI Zhiqiang. Numerical Simulation on Fluid Causing Fatigue of Industrial Pipeline System[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2018, 32(6): 064102. doi: 10.11858/gywlxb.20180559
Citation: YIN Xiaowen, TIAN Ze, HAN Yang, LI Zhiqiang. Numerical Simulation on Fluid Causing Fatigue of Industrial Pipeline System[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2018, 32(6): 064102. doi: 10.11858/gywlxb.20180559

工业管道系统流致疲劳寿命的数值模拟

doi: 10.11858/gywlxb.20180559
基金项目: 

国家自然科学基金 11672199

山西省自然科学基础研究项目 201601D011011

详细信息
    作者简介:

    尹晓文(1990-), 男, 硕士研究生, 主要从事冲击动力学研究. E-mail:yinxiaowen1002@link.tyut.edu.cn

    通讯作者:

    李志强(1973-), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事冲击动力学研究. E-mail:lizhiqiang@tyut.edu.cn

  • 中图分类号: O346.2;U173

Numerical Simulation on Fluid Causing Fatigue of Industrial Pipeline System

  • 摘要: 鉴于目前对整个管道系统的疲劳分析和相应数值模拟比较缺乏,基于ANSYS软件,利用Workbench和nCode DesignLife完成了管道系统从建模到流固耦合再到疲劳分析的完整模拟计算过程,得到了一般高压工业输水管道系统在正常流速及管内高压工况下的模拟计算结果,探究了入口速度和随机激振力作用下管道系统和各组件的疲劳响应。结果表明:对于实际运用的工业高压管道,需要对各部分管内流速进行监控,保证其处于合理可控范围;管道系统内的连接部是发生疲劳失效的重点区域,并且多发生于相贯线处;管道系统有助于增加各法兰管件在极限状态下的疲劳寿命。研究结果可为高压工业管道系统的设计和疲劳失效防护提供指导。

     

  • 图  管道系统几何模型

    Figure  1.  Geometrical model of pipeline system

    图  网格正交品质统计

    Figure  2.  Statistics for orthogonal quality of meshing

    图  网格倾斜度统计

    Figure  3.  Statistics for inclination of meshing

    图  白噪声载荷时程曲线

    Figure  4.  Load-time curve of white noise

    图  标准S-N曲线

    Figure  5.  Standard S-N curve

    图  不同入口速度下管路子系统流速

    Figure  6.  Flow rate of pipeline subsystem for different inlet velocities

    图  四通的应力云图

    Figure  7.  Stress nephogram of four-way

    图  三通出口的应力云图

    Figure  8.  Stress nephogram of tee-out

    图  管道系统整体疲劳寿命云图

    Figure  9.  Fatigue life nephogram of pipeline system

    图  10  四通的疲劳寿命云图

    Figure  10.  Fatigue life nephogram of four-way

    图  11  出流三通的疲劳寿命云图

    Figure  11.  Fatigue life nephogram of tee-out

    图  12  支座三通的疲劳寿命云图

    Figure  12.  Fatigue life nephogram of tee-support

    图  13  A类弯头的应力-疲劳寿命曲线

    Figure  13.  Stress-life curve of A class elbows

    图  14  B类弯头的应力-疲劳寿命曲线

    Figure  14.  Stress-life curve of B class elbows

    图  15  支座三通的应力-疲劳寿命曲线

    Figure  15.  Stress-life curve of tee-support

    图  16  出流三通的应力-疲劳寿命曲线

    Figure  16.  Stress-life curve of tee-out

    图  17  四通的应力-疲劳寿命曲线

    Figure  17.  Stress-life curve of four-way

    图  18  不同法兰管件的应力-疲劳寿命曲线

    Figure  18.  Stress-life curve of various flanges

    表  1  管道系统内流体对结构的映射力

    Table  1.   Mapping force of fluid in pipeline system to structure

    Component v0/(m·s-1) Mapping force/N
    x y z
    Elbow A 3 1.86 124.00 -147.94
    5 282.56 39.96 -332.05
    7 561.72 142.27 -707.51
    10 5 677.60 -2 269.10 -797.02
    Elbow B 3 -0.32 -44.00 2.26
    5 865.42 -1 068.40 0.24
    7 1 745.20 -2 095.90 -9.68
    10 18 628.00 -18 369.00 580.01
    Tee-support 3 136.32 -0.23 -3.15
    5 682.44 0.04 -3.56
    7 1 093.30 -1.14 -0.15
    10 2 715.60 -6.83 -32.04
    Tee-out 3 472.57 -0.01 343.97
    5 1 707.60 -0.65 1 092.30
    7 3 031.30 -0.24 2 002.40
    10 13 840.00 -20.37 9 474.50
    Four-way 3 -8.02 0.25 -186.31
    5 -7.74 1.70 -615.87
    7 -19.67 3.66 -1 173.30
    10 126.58 13.93 -2 455.70
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    表  2  计算结果

    Table  2.   Calculated results

    v0/(m·s-1) σmax/MPa εmax/10-3 Position with maximum stress
    3 285.34 2.28 Tee-out
    5 285.37 2.28 Tee-out
    7 285.30 2.28 Tee-out
    10 287.11 2.29 Tee-out
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  • 收稿日期:  2018-05-10
  • 修回日期:  2018-05-25

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