管道夹板阀的有限元分析与结构优化

摘要

石油、天然气是工业经济发展必需的能源，管道运输作为石油运输的主要方式，承担着我国约85％的原油输运任务。输油管线能否正常运行，直接关系到整个输油管道的安稳长久运转。由于受自然或人为的原因，管道运输过程中出现事故的频率相当之高。因此，定期的检测和维修是十分必要的，而管道夹板阀是长输管线不停输带压维修技术中开孔和封堵技术中的主要配套设备，是安装在三通和开孔机或封堵机之间装卸机具时起开、闭作用的管道专用阀，其性能的好坏直接影响到带压开孔和封堵技术的实施。
　　当今，ANSYS软件在工程技术问题的分析中的使用越来越普遍，其中APDL参数化语言更是因其设计效率高、易于修改等特点受到广大设计者的青睐。因此，本文将ANSYS软件及APDL语言应用到在管道夹板阀分析研究中，极大提高了设计的可靠性，缩短了设计周期，减少了一定量的试验，从而增加了产品在市场上的竞争力。
　　本文研究对象为PN10 DN900夹板阀，通过APDL参数化建模，可以较为快捷地分析各种拓扑结构类似的阀体结构，具有一定的通用性;利用ANSYS对夹板阀进行带有接触关系的结构有限元分析，得到了其在工作状态时的应力应变云图，并给出了阀体的强度评估;依据强度评估结果，本文提出了3种提高夹板阀强度的方案，并对各方案的可行性进行了验证，对工程实际有一定参考价值。在整个分析过程中，采用APDL语言编制了各个问题ANSYS程序，便于进行管道夹板阀类似问题的分析处理。通过APDL语言编制程序可以方便地进行后期设计修改，提高了设计效率。
　　本文依据有限元和弹性力学的理论，利用ANSYS软件进行参数化建模，并通过带有接触关系的结构有限元分析，实现了对管道夹板阀的强度评估。通过本文的研究计算，积累了一定的基础数据。对今后的产品设计和结构性能分析具有一定的参考价值。同时，也为进一步设计和制造高品质管道夹板阀奠定了技术基础，这对于管道封堵企业开发能力的提高具有示范意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 目前中国的管道建设概况

1．1．2 管道损坏及维修技术概述

1．1．3 管道维修的国家相关法规

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 管道封堵维修设备在国内发展现状

1．2．2 管道封堵维修设备在国外发展现状

1．3 本课的主要工作内容

第2章 管道夹板阀的使用及有限元分析理论

2．1 引言

2．2 制定分析方案

2．3 管道夹板阀的结构及安装使用

2．3．1 管道夹板阀的结构

2．3．2 管道夹板阀的安装使用

2．3．3 管道夹板阀的密封性

2．3．4 管道夹板阀的配套设备

2．4 管道夹板阀工作过程简介

2．4．1 管道封堵流程

2．5 结构有限元分析理论

2．5．1 结构有限元方法介绍

2．5．2 有限元分析常用软件

2．6 ANSYS软件简介

2．6．1 ANSYS软件的主要功能

2．6．2 ANSYS软件解决问题的步骤

2．6．3 结构有限元法分析的步骤

2．6．4 本文在ANSYS中使用的单位

2．7 本章小结

第3章 管道夹板阀的APDL建模

3．1 引言

3．2 APDL语言简介

3．3 有限元参数化设计

3．3．1 参数化设计

3．3．2 系统参数化的前提

3．3．3 管道夹板阀建模的特征化参数

3．4 利用APDL进行夹板阀建模

3．4．1 建模过程中注意的要点

3．4．2 建立完整的分析模型

3．5 本章小结

第4章 管道夹板阀的强度评估

4．1 引言

4．2 接触分析概述

4．2．1 接触非线性问题

4．2．2 接触问题的分类

4．2．3 接触分析中应注意的问题

4．2．4 接触算法种类

4．2．5 接触算法的选择

4．3 ANSYS进行接触分析的方法

4．3．1 ANSYS(Contact Pair)接触分析

4．3．2 ANSYS MPC(多点约束)方法

4．4 管道夹板阀的接触分析

4．4．1 定义单元类型

4．4．2 定义必要的实常数

4．4．3 定义材料特性

4．4．4 网格的划分

4．4．5 施加载荷与约束

4．4．6 ANSYS分析施加预紧力的螺栓的几种方法

4．4．7 接触分析求解结果

4．5 管道夹板阀的强度评估

4．5．1 强度理论与强度判据

4．5．2 管道夹板阀各部件的强度评估

4．6 本章小结

第5章 管道夹板阀的结构改进及螺栓强度校核

5．1 引言

5．2 管道夹板阀的结构改进方案

5．2．1 夹板加梁

5．2．2 夹板和阀板加厚

5．3 螺栓的强度校核

5．3．1 螺栓的预紧力

5．3．2 螺栓的拧紧方法

5．3．3 紧螺栓联接的强度计算

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 研究结论

6．3 展望

参考文献

致谢