（机械电子工程专业论文）增强热塑料管电熔接头有限元分析和优化设计.pdf

中文摘要 增强热塑料管电熔接头有限元分析和优化设计 研究生姓名：石智华 导师：汤文成教授 东南大学 摘要 本文以4 0 g 1 5 0 p a 2 型增强热塑料管为分析对象，通过对增强热塑料管电熔接头进行合理的假 设，在a n s y s 系统中建立了4 0 g 1 5 0 p a 2 型增强热塑料管电熔接头有限元分析模型，从热力学、 结构静动力学、材料非线性几个方面进行了有限元模拟分析，目的在于为产品的设计、实验和使用 提供一定的理论参考。 通过间接热力耦合方法对增强热塑料管电熔接头焊接瞬态温度场和焊接区域热应力进行了有限 元模拟，得到了在不同时刻的增强热塑料管电熔接头温度分布结果和焊接区域热应力、残余应力计 算结果；通过对焊接加热温度的调整实现对焊接工艺的优化。 利用a n s y s 提供的复合材料分析方法和参数化建模语言，考虑了材料的非线性、接触问题、 螺纹的等效建模方法等，建立增强热塑料管电熔接头静力学分析模型，利用计算结果对各构件的的 强度和刚度进行判断，分析结构的薄弱环节，并根据分析结果通过对管体复合材料叠层结构的优化 实现对结构的优化。 通过对不同长度的增强热塑料管分别采用1 8 建模和循环对称结构模态分析方法，了解结构的 固有频率和振动型式，得到合理的模态参数，并对结果进行分析比较。 复合材料在常温、长时间、静载荷作用下就会产生蠕变、在常位移作用下会产生应力松弛。应 用应力强化蠕变准则，采用隐式蠕变分析方法，对管体p e 材料进行了主蠕变的分析，得到了p e 材 料在1 0 0 0 小时的蠕变特性和1 0 0 0 0 小时的应力松弛特性。 关键词：有限元分析优化设计热力耦合静力分析模态分析蠕变应力松弛 英文摘要 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d o p t i m u m d e s i g no f w e l d i n gjo i n t sf o r r e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c p i p e s p o s t g r a d u a t e ：s h i z h i h u a s u p e n r i s o r ：p r o f 1 gw e n - c h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i 锣 a b s t r a c t u n d e rs o m er e a s o n a b l ea l s s u m p t i o n so ft h ew e l d i n gj o i n t sf o rr e i n f o r c e dt h e 瑚o p l a s t i cp i p e s ，t h i s s t u d yd e v e l o p saf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h ew e l d i n gj o i n t so f4 0 g 15 0 p a 2r e i n f o r c e dt h e n n o p l a s t i c p i p eu s i n ga n s y ss y s t e m s e v e r a ls i m u l a t i o n so f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa r ec o n d u c t e dt os t u d yt h em o d e l 行o mt h e m a la n a l y s i s ，s t r u c t u r a ls t a t i ca n dd y n 锄i ca n a l y s i sa n dn o n l i n e a rm a t e r i a l sa n a l y s i sp e r s p e c t i v e s t h eg o a lo ft h es t u d yi st op r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a c k g r o u n da i l da n a l y s i sf o rt h ee x p e r i m e n t sa n du s a g e o ft h ed r o d u c t s e q u e n t i a lt h e m a l 一s t r e s sa n a l y s i sm 矾l o di su t i l i z e dt oc o n d u c t6 n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n so ft h e t r a n s i e n tt e m p e r a _ t u r ef i e l d ，t h e n n a ls 仃e s sf i e l da n dr e s i d u a ls t r e s sf i e l df o r t h ew e l d i n gj o i n t so fr e i n f o r c e d t h e m o p l a s t i cp i p e t h es i m u l a t i o n sr e v e a l t h et i m es e r i e so ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h ew e l d i n gj o i n t sr e g i o n t h e s er e s u l t sa r eu s e dt oa i da d j u s t i n gt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h ew e l d i n gt oo p t i m i z et h ew e l d i n g c r a f t s as t a t i ca n a l y s i sm o d e li sd e v e l o p e du s i n gc o m p o s i t em a t e r i a la n a l y s i sm e t h o da n da n s y s p a r a m e t r i cd e s i g nl a l l g u a g e t h em o d e lt a k e si m oc o n s i d e ro ft h e m a t e r i a ln o n l i n e a r i t i e s ，t h ec o n t a c t p r o b l e ma n dt h ec r e w s e q u i v a l e n tm o d e l i n gm e t h o de t c t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni sa r c h i v e d a sar e s u l t o ft h eo p t i m i z a t i o no ft h el a y e r e dt h i c ks t r u c t u r a lo f t h ec o m p o s i t em a t e r i a lu s e db yt h ep i p e s 1 8m o d e l sf o rr e i n f o r c e dt h e m o p l a s t i cp i p e so fd i a e r e n tl e n 舒h sa r ed e v e l o p e dt ou n d e r s 切n dt h e i n h e r e n tf r e q u e n c i e sa 1 1 dm o d es h a p e so ft h ep i p e u s i n gc i r c u l a t i o na n ds y m m e t 巧s t r u c t u r a la n a l y s i s m e t h o d ，p a r t i a lm o d e l sa r ed e v e l o p e da n da s s e m b l e d t oo b t a i nt h ei n h e r e n tf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so f t h ew h o l es t r u c t u r e ap r i m a r yc r e e pa n a l y s i so fm ep em a t e r i a lo ft h ep i p eb o d yi sc o n d u c t e du s i n gt h ei m p l i c i tc r e e p a j l a l y s i sm e t h o da n d 印p l y i n gt h es t r a i nh a r d e n i n gc r e e pp r i n c i p a l t oo b t a i nt h ec r e e pa n ds t r e s sr e l a x “o n c h a r a c t e r i s t i c sf o rm ep em 砷：r i a l k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，0 p t i m 眦d e s i g n ， t h e n n a l 一s t r u c t u r a lc o u p l e d ， s t m c t u r a ls t a t i ca n a l y s i s ， m o d a la n a l y s i s ， c r e e p ， s t r e s sr e l a x a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：歪塑笠 日期：堕墨型 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：歪盔笙导师签名：盏垒：亟日期：竖业 第一章绪论 第一章绪论 1 1 有限元分析和结构优化的发展现状 有限单元法( 简称为有限元法) 是当前工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。由于它的 通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快速发展，现已成为 c a d 、c a e 和c a m 的重要组成部分。 有限元方法作为一种离散化的数值解法，其基本思想的起源可以上溯到上世纪4 0 年代。1 9 4 3 年，r c o u r 枷在求解扭转问题时为了表征翘曲函数而将截面分成若干三角形区域，在各三角形区域 设定一个线性的翘曲函数，然后用最小势能原理求解，这实质上就是有限元方法的基本思想。l9 5 6 年t u m e rm j 和r w c l o u 曲等人把位移法应用于飞机结构的平面应力计算。1 9 6 0 年r w c l o u 曲 在他的论文中第一次提出了有限元( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 这一术语。上世纪7 0 年代o c z i e n k i e w i c z 等人将有限元法的应用推广到了热传导、电磁场以及流体力学等领域。经过多年的发展，特别是随 着计算机技术的发展，有限元方法已经成为现代工程技术人员的重要工具之一，几乎可以用来求解 所有的连续介质和场问题l l 3 j 。 1 1 1 有限元发展的现实背景及其应用价值 一项工业产品或工程设计，作为任务交给工程师时，一般应考虑确保产品的性能指标、保证产 品的可靠性、使用寿命和最大限度的降低成本等内容。传统工程结构的分析与计算一般依据材料力 学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进行。在计算机问世以前，由于有许多简化条件，工程计 算精度较低。为了保证设备的安全可靠运行，常采用加大安全系数的方法，导致结构尺寸过大，不 但浪费材料，有时还会造成性能的降低。 现代产品的设计正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源和高性能等方面发展，传统的 分析方法远远不能满足要求。现代工业的进步，完全得力于计算机科技的突飞猛进，因此由2 0 世纪 进入2 l 世纪，引导人类科技再次的进步是与计算机技术的结合的科技，出现了计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 这一新兴学科。采用c a e 技术，即使在进行复杂的工程结构分析时 也无须做很多的简化，并且计算速度快、精度高。常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩 和强度等的计算分析；对产品运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的应力、变形、安全 性及寿命的分析等。实践证明，c a e 技术的应用，使过去许多受条件限制而无法分析的复杂工程问 题，通过计算机数值模拟得到很好的解答。计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使 复杂的过程层次化，节省了大量的时间，传统的工业依靠经验设计和样品试验的设计方法，产品开 发周期长、成本高，限制了企业c a d 应用的效果。因此在成功应用c a d 后，利用c a e 技术进行 产品的动静态性能的分析验证、调整和优化产品结构，己成为企业的当务之急。这样才能进一步缩 短产品的设计周期，降低制造成本，提高产品质量和可靠性，更好地适应市场的变化，增强企业的 竞争力。 计算机技术的高速发展极大的推动了相关学科研究和产业的进步。有限元、有限条、有限体积 及有限差分等方法与计算机的结合诞生了新兴的跨专业和跨行业的学科分支，c a e 作为一项跨学科 的模拟分析技术，越来越受到工程技术人员的重视。加入w r o 后，我国的工业产品已不再可能依 靠政府来保护市场，必须与国际接轨。面对国际市场，工业界必须对市场要求做出迅速反应，缩短 工程设计周期，优化产品和节省造价，保证产品质量，才能赢得市场。为此，在产品的设计制造过 程中应用c a d 、c a e 和c a m 等技术是必然的选择。 许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动特性 分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可归结为在给定边界条件下求解其控 制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题，但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单， 东南大学硕士学位论文 且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状较复杂或者问 题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。这类问题的解决通常有两种途径：一是引入简化假设， 将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态的解。这种方法只在有限的情况 下是可行的，因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解。因此，人们在广泛吸收现代数学、 力学理论的基础上，借助于现代科学技术的产物计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是 数值模拟技术，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。目前在工程技术领域内 常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用 的广泛性而言，主要还是有限单元法p 剖。 有限单元法是在力学模型上近似的数值方法，将被分析的结构直接离散化，使用最小位能原理 或虚位移原理等力学基本理论求解。有限单元法的基本思想是将连续的求解域离散为一组有限数量， 且按一定方式联接在一起的单元的组合体。由于单元按不同的联接方式进行组合，且单元本身又可 以不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法的另一个重要特点是利用在每 个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域是待求的未知场函数，单元内的近似函数通常由未 知场函数域及其在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样，未知场函数域及其在单元的 各个节点的数值就成为新的未知量( 即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变为离散的有限自 由度问题。求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整 个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提 高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足要求的，近似解最后将收敛于精确解。 与试验验证相比，有限元应力分析更容易和更准确地得到诸如应力分布、应力水平、屈服区域 等；同时有限元方法可以计算出构件内部的应力( 这对试验方式来说非常困难) ，人们可以按照某一 点、某一条直线或某一平面进行强度评定，使得结构的设计和改进具有针对性，达到既安全又经济 的目的。它不但可以解决工程中的线性问题，非线性问题，如塑性、屈曲、蠕变、热塑性、过屈曲、 断裂、冲击、穿透、疲劳、流固耦合、刚柔体耦合、晃动、安全防护等。而且对于不同性质的材料， 如各向同性、各向异性、粘弹性和粘塑性材料以及流体均能求解【2 j 。另外，对于工程中最有普遍意 义的非稳态问题也能求解，甚至还可以模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸、燃烧和应力波的传 播。有限元法也有不足之处，例如对一特殊问题只能求得一个具体的数值结果，不能得到不同参数 变化时系统的反馈；而且构造一个对真实问题尽可能逼近的有限元建模经验和对实际问题和准确判 断。这并不仅仅是有限元法才有的缺点，而且也不影响有限元法在工程上的广泛应用。 1 1 2 国内外有限元分析和结构优化的发展概况 随着有限元分析方法以及计算机软、硬件的发展，有限元分析软件及其与c a d 系统的集成逐步 发展成熟，使得有限元分析方法在很多工程和科学研究领域得到广泛应用。 国际上早在2 0 世纪6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。 从上世纪7 0 年代美国第一个有限元结构分析系统s a p 问世到现在，国际上出现的面向工程的通用 化程序达数百种之多，其中比较著名的有美国的a n s y s ，a b a q u s ，a d i n a ，i d e a s ，l s d 、j a ， m a r c ，s a p ，德国的a s k a ，英国的p a f e c ，法国的s y s t u s 等软件。有限元分析软件的应用从 结构分析拓展到各种物理场，从线性分析向非线性分析发展，从单一场的分析向几个场的耦合发展。 9 0 年代后有限元分析软件发展更加成熟，在单元类型、非线性分析、场分析、优化设计和数值方法 等方面有很大改进和增强外，前后置处理功能更加强大和方便，具备良好的用户开发环境，同时还 提供与c a d 软件( 如p r o e 、u g 等) 的接口，将c a d 模型自动转换为适于有限元分析的模型。我 国的计算力学软件起步也比较早，第一个自行开发的软件系统当推上世纪7 0 年代大连理工大学钟万 勰院士组织开发的j i g f e x ( 现在最新版本为j i f e xv 3 0 ) ，先后还出现过航空工业部6 2 3 所开发的 h a j i f 以及s a p 8 4 等，但目前还没有出现过一个比较有影响的软件系统，工程实际使用的大多是引 进的国外商品化软件。 2 第一章绪论 目前作为计算力学中最活跃的分支之一，结构优化的研究已有很多综述报道【7 。9 j ，研究的范围十 分广泛，从研究层次上看可有尺寸优化问题、形状优化问题及材料选择、拓扑优化问题；从问题的 复杂程度看已经从简单的桁架设计发展到梁、板、壳等多种复杂元素的结构设计；设计变量有连续 性、离散性；目标函数有单目标、多目标等；约束从最初的应力、位移发展到稳定、动力特性等。 随着对工程设计概念例如可靠性、模糊等不确定性的因素的认识，相应的优化模型即基于可靠性概 念的优化设计和结构模糊优化等也已提出。 早期的最优化方法可追溯到古典微分法和变分法，五、六十年代发展起来的计算机及计算技术 和数学规划理论为优化设计的发展提供了有利的手段和理论基础。现代结构优化( 结构综合) ，是指 数值结构优化或计算结构优化，其研究内容是把数学规划与力学分析方法结合起来，以计算机为工 具，建立一套科学的、系统的、可靠而又高效的方法和软件，自动地改进和优化受各种条件限制的 承载结构设计1 10 。1 1 】。1 9 6 0 年，s c h m i t 首先引入数学规划理论并与有限元方法结合求解多种载荷情况 下弹性结构的最小重量设计问题，形成了全新的结构优化的基本思想，意味着现代结构优化技术的 开始。 计算机技术、数学规划理论和结构分析方法是结构优化的三大基础，三者的发展推动着结构优 化整体水平的不断提高。其中计算机硬件和软件水平的发展和提高，为结构分析和优化提供了越来 越好的实现环境；数学规划为结构优化奠定了良好的数学基础，目前严格数学规划方法能处理的变 量和约束还不多，主要是不能解决变量多、约束多这样的工程设计问题。如何把数学规划的理论应 用于结构优化设计，根据结构设计的特点提出通用性、效率及可靠性等均良好的方法正是3 0 几年来 人们追求的目标；结构分析方法主要是指有限元方法，它为结构优化提供了强大的分析手段，其结 果中的结构在外载荷下的力学响应量及其对设计变量的导数都是结构优化必不可少的信息。利用有 限元分析，结构优化设计克服了以往采用经验、类比或采用许多假设和简化导出的计算公式进行结 构设计在校核方面的诸多局限，使结构设计由消极的校验设计变为主动的改善设计，提高了设计的 快速性和精确性，从而大大缩短了产品的设计周期，提高了产品的质量水平。 1 1 3 有限元法求解工程问题的内容 应用有限元法求解的工程问题大致可以分成三类n 4 。 1 ) 平衡问题 平衡问题是一些静态的与时间无关的问题，如固体力学中应力分析，热传递问题中稳态的温度 和热流的分布问题以及流体力学的稳流中的压力和速度分布问题等。这类问题的控制方程的矩阵形 式为 爿x = 6( 】) 其边界条件为 b x 2 g 2 ) 特征值问题 ( 1 2 ) 在特征值问题中，时间不是以显式表示的，它主要是确定对应于稳定状态的某些参数的极限值， 例如在固体力学和结构力学中求取自然振动频率、屈曲载荷和模态形状；在流体力学中的层流稳定 和电路问题中的响应特征等问题。这类问题的控制方程的矩阵形式为 4 x = 脚( 1 3 ) 其边界条件为 c y = g ( 1 4 ) 3 ) 传导问题 传导问题是与时间相关的问题。在固体力学和结构力学问题中是求解交变载荷作用下的结构响 应。在热传递问题中是求解突然加热或冷却时的瞬态温度场等。这类问题的控制方程为 么d 均d t 2 + 曰删d f + c y = 麟d p o( 1 5 ) 东南大学硕士学位论文 其边界条件为 似= 擘 2 0( 1 6 ) 其初始条件为 x 2 f 2 0( 1 7 ) 似阳f = k ，= 0 ( 1 8 ) 在以上的矩阵表达式中：彳，b ，c 和d 是方阵，方阵中的元素往往取决于连续介质的特性和有 限元网格的划分，所以在求解问题时是属于已知的；x 是未知场变量的矢量；6 ，g ，k ，y 0 是常数矢量； f 是一矢量，其中的元素是x 和f 的已知函数。 1 1 4 a n s y s 简介 1 1 4 1a n s y s 软件简介 a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，是世界最著名的有限元公司。三十多年来，a n s y s 公司一直致力 于分析设计软件的开发、维护和售后服务。a n s y s 公司在分析设计界一直保持一流的地位，a n s y s 公司是世界上最大的有限元分析软件公司之一。a n s y s 软件是由a n s y s 公司开发，国际流行 的大型通用有限元分析软件，是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用 有限元分析软件，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ， n a s t r a n ，a 1 0 9 0 r ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 l 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协 会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国 内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用【1 5 。16 1 。 a n s y s 软件提供的分析类型如下： ( 1 ) 结构静力分析；( 2 ) 结构动力学分析；( 3 ) 结构非线性分析；( 4 ) 动力学分析；( 5 ) 热分析； ( 6 ) 电磁场分析；( 7 ) 流体动力学分析；( 8 ) 声场分析；( 9 ) 压电分析。 1 1 4 2 a n s y s 热力学分析简介 有限元法进行热分析的过程，实际上是将待处理的对象划分成有限个单元( 包括若干个节点) ， 然后基于传热学经典理论能量守衡原理的热平衡方程，求解一定边界条件和初始条件下每一节点处 的热平衡方程，由此计算出各节点温度，进而求解其他相关量。 热分析是a n s y s 软件的一个很重要的分析功能。主要用来计算一个系统或部件的温度分布及 其他热物理参数( 热量的获取或损失、热梯度、热流密度) 。他广泛用于能源、机械、化工、冶金、 建筑、电子、船舶等部门，在一些工作过程中，往往需要估算和控制构件的温度，分析不同工作条 件下不同材料和几何形状对温度场变化的影响，这样就可以减少生产和试验中的缺陷和损耗。 a n s y s 热分析的功能包括一般的稳态传热和瞬态传热分析，可以同时考虑热传导、热对流和热 辐射三种换热方式。高级的热分析功能包括；相变问题( 考虑材料的潜热) ；材料属性随温度的变化 竹 1 to 1 1 4 3a n s y s 结构分析简介 结构分析是各种有限元分析中最为常用的一个类型，在很多领域中都应用。在这里，使用的是 广义的结构概念，它不仅包括通用机械零部件，还包括船舶、电子、电气、土本工程结构等，甚至 还涉及到最新的m e m s 封装、生物医学相关问题的分析。 a n s y s 结构分析包括线性和非线性结构分析。可以进行结构静力学分析和结构动力学分析。 结构静力学分析主要用于静力载荷作用下结构的位移和应力等，并不考虑惯性和阻尼的影响。 静力分析包括线性和非线性分析。线性静力分析是用来计算结构在恒定载荷作用下的响应，如反力、 位移、应变以及应力等，也就是探讨结构受到外力后变形、应力和应变的大小。非线性分析可以概 4 第一章绪论 括为几何非线性、材料非线性和状态非线性，用于结构大变形引起的刚度变化、材料有关的参数引 起的刚度变化如：蠕变、粘弹性和粘塑性等。 结构动力学分析用来求解随时间变化的荷载对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析 要考虑随时间变化的力荷载以及它对阻尼和惯性的影响。结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分 析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析等。 1 2 课题的意义和研究内容 2 0 0 2 年5 月，南京晨光航天应用技术股份有限公司的特种软管生产线技术改造项目建议书 得到国家经贸委的批准，作为国债投资项目进行增强热塑管料管( r e i n f o r c e dt h e m o p l a s t i cp i p e 简 称r t p 管) 的开发。 1 2 1 增强热塑料管简介 增强热塑管料管( r e i n f o r c e dt h e m o p l a s t i cp i p e 简称i 盯p 管) 。其典型结构一般为三层结构：最 内层为防腐的热塑料挤塑层( p o l y e t h y l e n e 聚乙烯) ，最外层为防紫外线辐射的热塑料包覆层( 聚乙 烯) ，中间层为方向相反、成对缠绕的增强带；这三层结构以粘合的形式结合成为一种整体结构。增 强材料通常为聚酯纤维或芳纶纤维。根据需要，可以增加中间层层数( 2 层或4 层) 以增大承压能 力。r t p 管的结构如图1 一l 所示。 热望科包覆层增强层 增强层热望料挤望层 图l 一1r t p 管分层示意图 i 盯p 管产品主要应用于防腐、高压等场合，现场安装十分方便，如在滩涂和浅海石油工业领域 作为高压跨接管和滩涂管道来输油、输气和注水等，也是油井注水管和浅海中低压海洋软管的理想 替代品。 1 2 2 选题目的和意义 随着发展的日新月异、市场竞争的日益剧烈，产品的研发周期越来越短，对产品的质量要求也 越来越高。传统的设计方法依靠经验设计和样品试制通过试误法( ma n de 玎o r ) 进行新产品的开发， 产品开发的周期长、成本高，随着企业的发展，这一点已严重制约了企业产品技术水平的提高，因 此引入以有限元分析为主要内容的c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术，对缩短产品研发周期 和降低制造成本，提高企业效益具有重要意义1 1 7 j 。当前在工业界有限元模拟仿真技术被公认为是对 材料变形过程、传热过程和产品质量等进行预测以及开发新品种非常有效的分析工具。 由于单根r t p 管管长最大为2 4 0 米，在进行远距离输送时，必须首先对管道进行连接，管道连 5 东南大学硕士学位论文 接技术是影响管道质量和结构完整性的关键环节。r t p 管的管道连接技术采用焊接的方法，由直管 电熔接头和法兰电熔接头两大部分组成，每一部分又包括管体和电熔接头。其中直管电熔接头用于 管体与管体的连接；法兰电熔接头用于管体与设备的连接。如图1 2 和l 一3 所示。r t p 管接头在焊接 过程中，其温度和应力随时间而变化，是较复杂的场问题。另外，在r t p 管使用过程中，受到输送 液体的内压作用，在管体和其接头部件产生应力；管体所采用的复合材料在常温和长时间工作的情 况下，存在蠕变和应力松弛等问题，这些都直接影响着接头的质量。利用a n s y s 首先对r t p 管电 熔接头进行一定的有限元分析，可以为产品的设计、实验和使用提供一定的理论依据，降低产品的 成本，提高产品在市场上的竞争力。 图1 2 法兰电熔接头结构简图 图1 3 直管电熔接头结构简图 1 2 - 3 本课题的主要研究内容和方法 本课题以4 0 g 1 5 0 p ，a 2 型增强热塑料管( r t p 管) 直管电熔接头为分析对象，分别从r t p 管连 接和使用两方面，利用在c a e 领域r 泛应用的的大型通用有限元分析软什a n s y s 作为分析工具， 通过对r t p 管直管电熔接头进行合理假设，在a n s y s 系统中建立了4 0 g 1 5 0 p a 2 型r t p 管直管电 熔接头有限元分析模型，从热力学、结构静动力学、材料非线性几个方面进行有限元模拟分析“。1 ， 目的在于为产品的设计、实验和使用提供一定的理论参考。 主要包括以下几个方面： 1 ) 根据r t p 管直管电熔接头的结构特点和工作条件，在保证实际产品结构自身的物理、力学 6 第一章绪论 及几何特征的前提下，对管体和接头部件的结构、约束和载荷进行合理简化，进行模型分析，建立 不同分析中的有限元模型。 2 ) 利用a n s y s 提供的热力分析程序，采用热力耦合的方法，对r t p 管直管电熔接头焊接瞬态 温度场和接头区域焊接热应力、残余应力进行有限元模拟，分析焊接强度。根据焊接温度对焊接质 量的影响对焊接工艺进行优化。 3 ) 考虑i 盯p 管直管电熔接头所能承受的输送液体的最大内压的作用下，对管体及其接头进行 整体和部件的静、动力学分析，计算结构的应力、应变和模态参数，并根据各参数的计算结果，采 用数据统计和图表处理方法，分析结构的薄弱环节。根据管体的复合材料叠层结构对强度和刚度的 影响，通过对管体材料的叠层结构的调整实现对结构的优化。 4 ) 在常温下，对r 1 、p 管直管电熔套筒和钢哈夫的螺纹连接部位进行蠕变和应力松弛分析，计 算弹性和蠕变应力、应变参数，分析结构在长期工作情况下连接的可靠性。 7 东南大学硕士学位论文 第二章r t p 管电熔接头焊接过程有限元分析和优化 2 1 引言 传热是日常生活和工程实际中广泛存在的自然现象，只要有温度差存在，就一定出现热量的传 递，或者只要有热量的输入和输出，就会引起温度的变化；由于有温度的变化，就会引起结构件的 应力和应变变化，即出现热应力，这对构件的影响是很大的，甚至会引起结构的失效与破坏。 r t p 管直管是利用电熔接头采用焊接的方法进行连接的。r t p 管电熔接头焊接的主要机理是： 在被连接表之面间加中间扩散层，使中间扩散层在无污染或无氧化的条件下加热熔化，形成液膜并 填充整个接头缝隙，然后进行等温凝固并使之在保温的条件下均匀化的连接方法。它通过液相填充， 加速了焊接的过程，对焊接表面的粗糙度要求较低，需要的压力也很小。概括起来，其过程包括四 个阶段：形成液相、液相扩展、等温凝固、均匀化。在焊接的过程中，温度、保温时间、压力及中 间扩散层的冶金物理性能等都是影响焊接过程和接头质量的主要因素u 8 。2 0 。 在r 1 1 p 管电熔接头焊接过程中往往会涉及诸如加热、融化、保温、冷却、凝固等工艺，热传导 以及所产生的热应力是控制这些工艺的技术关键。研究焊接温度场是进行焊接力学分析的基础，温 度对材料的力学性能有显著影响，很多材料参数是温度的非线性函数。焊接过程直接决定了焊缝和 热影响区焊后的显微组织、残余应力与变形，焊接质量与温度场的分布有很大关系，而焊接残余应 力的存在，将直接影响到结构的承载能力，其数值模拟技术的研究具有重要意义【2 卜2 3 j 。同时，将温 度场和应力应变场结合起来耦合分析，揭示焊件中的热应力和变形分布规律，对于分析影响焊件质 量的因素和保证焊件质量无疑是有意义的。由于温度场与应力场的弱耦合，即只考虑温度场对应力 场的影响，而忽略应力场对温度场的作用。 本章通过间接热力耦合方法，分析对r t p 管直管进行连接的电熔接头焊接保温过程中的瞬态温 度场、焊接区域热应力；用冷却过程来模拟残余应力的形成心引，分析残余应力的分布规律。考虑焊 接温度对焊接强度的影响，对焊接工艺进行优化。 2 2 传热学基本知识 2 2 1 热传导 热传导指完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交 换。热传导遵循付里叶定律，即 口”：一尼塑( 2 1 ) d x 式中 玎”一热流密度( w m 2 、 七一导热系数( w m 一) 其中负号“j 表示热量流向温度降低的方向。 2 2 2 热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流 可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述： g ”= 矗( 瓦一) ( 2 2 ) 8 第二章r t p 管电熔接头焊接过程有限元分析和优化 式中 h 一对流换热系数( 或称膜传热系数、给热系数、膜系数等) b 一为固体表面的温度 t b 一为周围流体的温度 2 2 3 热辐射 热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物理温度越高，单位 时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真 空中的热辐射效率最高。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它 们之间的净热量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼方程来计算： g = 砒lf 1 2 ( t 1 4 t 2 4 ) ( 2 3 ) 式中 q 一热流率 一辐射率( 黑度) o 撕蒂芬一波尔兹曼常数，约为5 6 7 1 0 8 w m 2 - k 4 a 广一辐射面l 的面积 f 1 2 一由辐射l 到辐射面2 的形状系数 t 广一辐射面l 的绝对温度 t 2 一辐射面2 的绝对温度 由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的乜7 。 2 3 温度场和热应力分析的有限元方法 研究物体的热问题包括两个部分内容：( 1 ) 传热问题研究，以确定温度场；( 2 ) 热应力问题研 究，即在已知温度场的情况下确定应力应变。实际上这两个问题是相互影响和耦合的。但在大多数 情况下，传热问题所确定的温度将直接影响物体的热应力，而后者对前者的耦合影响不大。因而可 将物体的热问题看成是单向耦合过程，可以分两个过程来进行计算1 4 】。 2 - 3 1 传热问题的有限元分析 2 3 1 1 传热问题的基本方程 根据f o u r i e r 传热定律和能量守恒定律，可以建立传热问题的控制方程，即物体的瞬态温度场 t ( x ，y ，z ，t ) 应满足以下方程： 丢( k 罢 + 昙卜詈卜昙一豢 + 加= 伊丁鲁 c 2 舢 瓦l k 瓦j + 万卜万j + 瓦卜瓦j + 艘2 伊丁百 4 其中p 为材料密度，k g m 3 ；c t 为材料比热，j ( k k ) ；k x 、k y 、k z 分别为沿x ，y ，z 方向的热传导系 数) ，w ( m k ) ；q ( x ，y ，z ，t ) 为物体内部的热传导强度，w l 唱。 传热边界条件有三类，即 第一类b c ( s 1 ) ( 叫做d i r i c h e t 条件，在边界上给定温度值) 9 一 东南大学硕士学位论文 一一 丁( x ，少，z ，f ) = 丁( f ) 在s l 上 第二类b c ( s 2 ) ( 叫做给定热流密度的n e 啪a n n 条件) k 要玖+ q 豢b + t 要吃：石) 在s 址 k 瓦咒x + q 瓦刀y + t 瓦挖z 5 9 ，( ) 在s i 上 第三类b c ( s 3 ) ( 叫做给定对流换热的n e u m a n n 条件) q 要他+ q 罢，2 ，+ 镌娶他：万。( 疋一d 在s ，上 q 瓦胛x + q 瓦胛，+ 镌i 甩：2 办c ( 2 二一? ) 在s ，上 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中n x ，n v ，n z 为边界外法线的方向余弦，虱f ) 为在边界s 1 上给定的温度；虿- 厂( f ) 为在边界s 2 上 的给定热流密度，单位为w m 2 ；j 1 2 c 为物体与周围介质的对流换热系数，单位为w ( m 2 k ) ；已为 环境温度；t 为时间，单位为s ；并且物体q 的边界为孢：s + & + & 。 若该问题的初始条件i c ( i n i t i a jc o n d i t i o n ) 为 丁( x ，y ，z ，f = 0 ) = f o ( x ，少，z )( 2 8 ) 相应的变分提法为，在满足边界条件( 1 5 ) ( 1 7 ) 式及初始条件( 1 8 ) 式的许可温度场中，真实 的温度场使以下泛函i 取极小值，即 叫黔，= 斗( 黔q 研托滢) 2 2 ( 触磊酬二 ( 2 9 ) 在实际问题的处理过程中，边界条件( 2 6 ) 和( 2 7 ) 式事先较难满足，因此，可将这两个条件 耦合进泛函( 2 9 ) 式中，即 ，秘，= 冲( 舒b 蝌+ t ( 争2 ( 加喁酬施书删 + 弧础瓦叼 2 3 1 2 稳态传热问题的有限元分析列式 ( 2 1 0 ) 对于稳态问题，即温度不随时间变化，有 鲁- - ( 2 1 1 ) 西 l 厶， 将物体离散为单元体，即qj q 8 ，在单元体q 8 内，与在结构分析中进行单元位移场插值 的情况相同，也可根据节点数来确定单元温度场的函数模式，即将单元的温度场r 彤力表示为节点 1 0 第二章r t p 管电熔接头焊接过程有限元分析和优化 温度的插值关系，有 r ( _ 彤z ) = 毽彭力g ； 其中 力为形状函数矩阵，蕲为节点温度列阵，即 蕲= 乃乃死】t 醋q ；= 爵 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 其中 群= 。卜( 芸 7 ( 罢 + q ( 等 7 1 ( 芳 + t ( 罢) 7 ( 罢 擒+ 乓万。r 删 ( 2 1 5 ) 畔= 。删7 1 艘+ 是石，7 1 幽+ 肛瓦 ( 2 1 6 ) 方程( 2 1 5 ) 叫做单元传热方程，k ；称为单元传热矩阵，蕲为单元节点等效温度载荷列阵。 由( 2 1 5 ) 式可以看出，k ；的第一项为单元体内部对传热矩阵所作的贡献，第二项为在s 3 上由对 流热交换条件对传热矩阵所作的贡献，而( 2 1 6 ) 式中右端的三项分别为内部热源、给定热流、对 流热交换所引起的等效温度载荷。 由泛函( 2 1 1 ) 式中的最高阶导数可以看出，传热问题为c o 问题，并且温度场为标量场，因此， 所构造的有限元分析列式比较简单。 2 3 1 3 瞬态传热问题的有限元分析列式 在瞬态传热问题中，单元的温度场将随时间变化，即 t e ( x ，y ，z ，t ) = n ( x ，y ，z ) g ；( t ) ( 2 1 7 ) 这里的节点温度g ；( f ) 是随时间变化的，即 g ；( 力= 丁l ( f ) 疋( d 瓦( f ) t ( 2 1 8 ) 与稳态问题类似，将( 2 1 7 ) 式代入( 2 1 0 ) 式中，并对蕲( 力求变分极值，可得到 c 善口；+ k ；g ；= 芹 ( 2 1 9 ) 则 o = 旦瞄 值极分变求并式 乙 到 入 代式 乙 将值度 温占节 为品 乃乃中