阀门一次应力求解路线分析

八幡

　　介绍了一种通用的基于Abaqus有限元法解决阀门一次应力分析计算方法，减小了计算一次应力的误差。

1、概述

　　一次应力为直接参与和机械载荷平衡的应力类别。因此，在塑性变形的情况下，一次应力还继续存在，当一次应力超过材料的屈服极限时会引起过度变形。通常来说，一次应力是为防止过度变形失效必须加以限制的一种应力。例如，在连接处接头两侧一定距离之内(此距离大小取决于不连续区域的几何形状和所施加的载荷情况) ，若薄膜应力和弯曲应力超过材料的塑性准则，就会发生这种过度变形。因为塑性变形仅在过度变形之后才会发生，所以，一次应力准则同样保证无塑性失稳的危险。

　　因此用许用应力强度保证过度变形的塑性失稳之间具有足够的安全裕度。一次应力可分成总体一次薄膜应力(存在于整体不连续区之外或载荷作用的不连续区域之外) 和局部一次薄膜应力(它在整体不连续区之内) 两种。在一个给定的截面上，薄膜应力强度和薄膜加弯曲应力强度应沿着应力分量的支撑线段，按平均值或线性值确定。本文以升降式止回阀阀体为例，探讨一次应力计算方法。

2、主要参数

　　安全等级二级

　　材料06Cr18Ni11Ti

　　许用应力120.6MPa

　　公称压力6.3MPa

　　公称通径10mm

　　设计压力5.8MPa

　　设计温度100℃

　　使用寿命30a(承压件)

3、分析

　　根据NB/T 20010.10-2010及RCC-M 的相关规定，为保证阀体在工作条件下的安全性、可靠性及压力边界的完整性，按NB/T 20010.10- 2010 中O 级及A 级准则进行评价。阀体载荷主要包括设计内压和管道反作用力。

4、应力计算

　　阀门所承受的主要载荷包括设计压力、自重和管道反作用力。模型(图1) 中的载荷包括设计压力(P= 5.8MPa)、管道反作用力和自重。

图1 阀体网格划分

　　有限元计算后，得到阀门的Tresca应力分布( 图2 和图3) 。

图2 阀体第一个位置Tresca应力分布

图3 阀体第二个位置Tresca应力分布

　　根据承压边界一次应力的分类原则，由应力云图显示的应力分布结果，并结合应力线性化曲线图(图4 和图5) 对阀体进行评价。

图4 阀体第一个位置应力线性化曲线

图5 阀体第二个位置应力线性化曲线

　　阀体有两个位置需要评价(表1) 。第一个位置为阀体中法兰底端的阀颈处，是一个整体结构不连续区，此处的一次薄膜应力强度不超过32MPa，一次薄膜加弯曲应力强度不超过49MPa，一次加二次应力强度不超过90MPa。第二个位置为阀体右端斜通径处，此处的一次薄膜应力强度不超过30MPa，一次薄膜加弯曲应力强度不超过52MPa，一次加二次应力强度不超过91MPa。

表1 阀体评价位置

5、结语

　　经分析和试验结果证明，用压力面积法求解一次应力存在较大误差。现在通过有限元应力线性化的方法，求解一次应力，是国际上通用的可靠度较高的方法。有限元应力线性化的方法在阀门设计中有广泛的用途。