燃气管网用钢塑转换接头结构分析及优化

摘要

钢塑转换接头是燃气管网的关键部件之一，由于钢塑转换接头结构的特殊性和所受工况的复杂性，使得钢塑转换接头在钢管与聚乙烯（Polyethylene，PE）管的连接部位极易发生失效，导致燃气泄漏，造成安全事故。因此，本文针对目前钢塑转换接头结构分析鲜有报道的现状，以PE110×114的钢塑转换接头为研究对象，采用厚壁圆筒力学理论、有限元和正交试验的方法对钢塑转换接头的结构进行了分析和优化。本文主要研究内容及结论如下： （1）钢塑转换接头过盈量的分析。分别采用厚壁圆筒力学理论和有限元方法，对钢塑转换接头过盈量与接触应力之间的关系进行理论推导和数值计算，通过理论解和数值解的对比，验证了钢塑转换接头模型和理论计算的正确性。在此基础上，计算了钢塑转换接头两接触面过盈量的范围。结果表明，钢塑转换接头的过盈量越大其密封性能越好，但连接强度越低；过盈量范围在0.0018mm-0.072mm之间。为钢塑转换接头在实际工程中的应用提供了理论基础。 （2）钢塑转换接头能承受的轴向拉力和内压分析。利用有限元软件ANSYS的瞬态动力学分析方法，分析了钢塑转换接头能承受的最大拉力和内压，在此基础上判断了钢塑转换接头在拉力和内压作用下的失效形式。结果表明，钢塑转换接头能承受的最大拉力为16646N，能承受的最大内压为2.6MPa；钢塑转换接头能承受的最大拉力取决于其关键部位的结构参数，最大内压取决于PE管的强度。 （3）钢塑转换接头的结构优化。利用正交试验与有限元软件相结合的方法，对钢塑转换接头两接触面间过盈量、钢管连接部位的齿形、齿数、密封面的接触长度和齿形角度进行了优化，并对优化后的钢塑转换接头能承受的最大内压和拉力进行了分析。结果表明，优化后钢塑转换接头能承受的最大拉力为18208.5N，最大内压为2.6MPa；钢塑转换接头关键部位结构参数的正确匹配才能提高钢塑转换接头的连接强度和密封性能，提高其使用寿命。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1. 2. 1 相关领域研究现状

1. 2. 2 钢塑转换接头发展现状

1.3 研究思路及主要内容

1. 3. 1 研究思路

1. 3. 2 主要内容

第2章 钢塑转换接头的力学原理

2.1 钢塑转换接头的连接机理

2.2 钢塑转换接头的力学原理

2. 2. 1 关于厚壁圆筒的概念

2. 2. 2 厚壁圆筒的基本方程

2. 2. 3 厚壁圆筒基本方程的解

2. 2. 4 厚壁圆筒的径向位移

2. 3. 1 钢塑转换接头的力学模型

2. 3. 2 钢塑转换接头密封连接的过盈量分析

2.4 本章小结

第3章 钢塑转换接头过盈量的有限元分析

3.1 ANSYS有限元软件介绍

3. 1. 1 有限元软件分析步骤

3. 1. 2 有限元软件的接触分析

3.2 钢塑转换接头模型的建立

3.3 钢塑转换接头过盈量有限元分析

3. 3. 1 有限元模型的验证及接触应力分布分析

3. 3. 2 过盈量范围的确定

3.4 本章小结

第4章 钢塑转换接头承受的轴向拉力和内压分析

4.1 ANSYS的瞬态动力学分析

4. 1. 1 瞬态动力学分析概述

4. 1. 2 瞬态动力学分析步骤

4.2 钢塑转换接头承受的轴向拉力和内压分析

4. 2. 1 钢塑转换接头模型的建立

4. 2. 2 钢塑转换接头能承受的最大轴向拉力分析

4. 2. 3 钢塑转换接头能承受的最大内压分析

4.3 本章小结

第5章 钢塑转换接头的有限元正交优化分析

5.1 正交试验设计的介绍

5. 1. 1 正交试验设计的基本步骤

5. 1. 2 正交表的介绍

5. 1. 3 正交试验设计的直观分析法

5.2 钢塑转换接头正交试验设计分析

5. 2. 1 正交试验设计

5. 2. 2 有限元分析

5. 2. 3 试验结果分析

5. 2. 4 试验结果验证

5.3 钢塑转换接头的齿形角度优化

5. 3. 1 齿形角度优化

5. 3. 2 优化结构能承受的轴向拉力和内压分析

5.4 本章小结

结论与展望

全文总结

工作展望

参考文献

致谢