杨佩东
（山西工程职业技术学院，太原 030009）
摘 要：针对钢管对接环焊时，焊接工序复杂、焊缝可能会产生裂纹等缺点，设计了一种新型钢管柔性对接方式。采用solidwoks 三维绘图软件建立实体模型，并应用ANSYS Workbench 有限元分析软件对钢管实际工况进行仿真，对O 型密封圈采用二参数Mooney-Rivlin 超弹性材料模型并应用第四强度理论进行计算，得出钢管所承受的最大等效应力为55 MPa、最大径向应力为10.4 MPa、最大轴向应力为13.9 MPa，最大等效应变为2.96×10-4 mm。分析结果表明，钢管采用柔性对接时，钢管所承受的应力和应变均在许用范围之内，满足强度要求，不会出现泄露现象。说明该柔性连接方式安全可靠。
关键词：钢管；柔性连接；有限元分析；ANSYS Workbench
随着我国西气东输、南水北调工程的实施，管道已经在我们生活当中扮演着越来越重要的角色，目前我国输水管线用管有球墨铸铁管、玻璃钢管、PCCP 管等。这些管材中，钢管具有突出的性能。通常钢管之间采用焊接对接方式。由于焊接对接钢管的连接方式存在成本较高、现场焊接时难以保证焊接质量、遇到土层沉降时易产生焊缝开裂等缺点，目前发达国家已采用钢管柔性连接的方式进行钢管对接。钢管的柔性连接不仅制造成本低，且具有良好的工作性能，已在国外得到了广泛的应用[1-2]。本研究设计了一种以O 型密封圈为柔性接口的连接方式，通过solidworks 三维绘图软件建立实体模型，然后导入ANSYS Workbench 有限元分析软件对其进行应力、应变分析。
本次研究模型以DN500 钢管为例，其壁厚选择为 5 mm，采用 Φ610 mm×65 mm 的 O 型密封圈进行密封。在连接管1 与连接管2 之间通过O 型密封圈进行承插连接，钢管柔性连接分解如图1所示。采用该种连接方式不仅减少了焊接工序，避免了焊接缺陷带来的危害，而且连接管在受到外部作用力后，可以增加连接处的弹性刚度，允许连接处有少许的挠度变形。这相比于焊接连接的钢管具有较大的优势，同时钢管在工作状态下，O 型密封圈受到挤压后增加了连接处的密封性。
图1 钢管柔性连接分解示意图
有限元分析之前，需要建立三维实体模型。通常采用三维绘图软件绘制实体模型，然后通过三维绘图软件与有限元软件的无缝对接，将模型导入有限元软件中进行分析。根据已设计好的二维图，通过solidworks 三维绘图软件，建立实体模型[3]。柔性连接装配后的三维模型如图2所示。
图2 柔性连接装配后三维模型
根据力学理论可知，钢管的分析方程[4]满足
式中：[K]——刚度系数矩阵；
{x}——位移矢量；
{F}——力矢量。
我国对广告用语进行系统规范的语言政策的制定，主要是在改革开放之后的二十世纪八九十年代。2000年10月31日，第九届全国人民代表大会常务委员会第十八次会议修订通过的《中华人民共和国国家通用语言文字法》标志着我国语言文字规范工作进入了新的历史阶段。本文主要针对这两大时期分析广告语用存在的问题。
气候资源是一种特殊资源，要想整体提高农业系统抗灾能力，应对气候资源的承载能力进行评估，保证开发利用的合理性和科学性。利用气候资源的同时，也要对气候资源加以保护，促进现代农业的发展［2］。
制造钢管的材料有很多种，根据材料的四种强度理论特性可知，第一和第二强度理论适用于铸铁、混凝土、玻璃等脆性材料，而第三和第四强度理论适用于碳钢、铜、铝等塑性材料。本研究的钢管属于塑性材料，所以采用第四强度理论进行计算，其Von Mises 等效应力公式[5]为
本研究选用的钢管材料为Q235，其材料性能见表1。
表1 Q235材料性能
?
O 型密封圈材料属于超弹性材料，可以承受大弹性变形，几乎不可压缩，泊松比接近于0.5，应力-应变曲线具有高度的非线性。假定在零变形状态下密封圈橡胶聚合物的长链分子随机分布，且各向同性，则其力学性能可用应变能函数[6]W表示
式中：I1、I2、J——分别为第一阶、第二阶、第三阶应变不变量；
C1、C2、…、 Cm——橡胶剪切特性常数；
D1、D2、…、 Dm——橡胶压缩特性常数。
I1、I2、J 与橡胶材料的主拉伸比 λ1、λ2、λ3 的关系为
在ANSYS Workbench 中的超弹性材料模型中，选用二参数Mooney-Rivlin 超弹性材料模型，其应变能密度函数[7]为
式中：、
(PS: The term dispositions refers to belief, attitude and value in NCATE Glossary.)
C10、C01—— Mooney-Rivlin 常数；
d——材料不可压缩参数；
ψ——应变能密度函数。
通过ANSYS Workbench 软件中的Engineering Data 模块分别设置钢管Q235 与O 型密封圈的材料属性，并进行材料分配。O 型密封圈的材料属性见表2。
在交际任务完成的过程中，我们可以了解到学生口语交际的应对能力及交流的和谐、文明程度。下面是我在网络上看到的两道口语交际试题：
表2 O型密封圈材料属性
?
在ANSYS Workbench 中选择Mesh 模块对实体模型进行网格划分，Mesh 模块可根据不同的结构模型采取不同的网格划分方法。Mesh 模块提供的划分网格有四面体网格、六面体网格、棱锥网格等。由于四面体网格可以施加于任何几何体，并且可以快速自动生成，在关键区域容易使用曲度和近视尺寸功能自动细化网格，所以在本研究中采用四面体网格划分方法[8]。通常网格结构和网格疏密程度直接影响到计算结果的精度，但网格加密会增加CPU 的计算时间，为了综合考虑计算精度与计算速度[9]，在进行网格划分时，把Relevance Center 设置为中度Medium，网格化的装配体模型如图3所示，其中网格单元数为26 542，节点数为 53 744。
引理6 复合算子Cφ在Βψ，0上是紧致的当且仅当对任意有界且在Βn的任意紧致子集上一致地收敛于0的序列{fj}⊂Βψ,0，有
第二，学校要完善社团的申报制度。学生社团需要上报社团的学期计划、社团成员的名单、社团的活动开展情况及每学期的社团的工作总结。
图3 钢管柔性连接网格化的装配模型
由于钢管在埋入地下之后基本处于固定不动的状态，所以在ANSYS Workbench 中采用Fixed Support 对钢管四周进行固定。参照某公司对钢管水压试验时的最大试验压力36 MPa，采用Pressure 在管内施加36 MPa 的压力，来观察钢管柔性连接在最大工作压力下的应力云图。采用Imprint Faces 来模拟钢管柔性连接部分，在受到土层塌陷时所受到力的接触面，并假设钢管柔性连接处受到外界给予50 MPa 强度的压力。在进行计算时，为了计算平稳，把大变形Large Deflection 打开，施加的边界条件及载荷约束如图4所示。
图4 施加的边界条件及载荷约束
通过计算分析，得到钢管柔性连接的Von Mises 应力、应变云图，如图5所示。
此外，每年根据政府医改的任务和恩泽集团战略调整，医院管理层还必须对指标测量系统进行回顾和更新，确保绩效测量系统适应发展方向及业务需要，并确保指标对组织内外部快速变化的敏感性。
从应力云图和应变云图可以得出，最大应力和最大应变均出现在柔性连接周围处。最大等效应力为55 MPa，最大径向应力与最大轴向应力分别为10.4 MPa 和13.9 MPa，钢管材料屈服强度 σs 为 235 MPa，为了确保钢管不被破坏，应使最大工作应力 σmax 不超过许用应力 [σ]，即：σmax≤ [σ]。而许用应力 [σ]=σs/s，当安全系数s 取 1.8 时，得出 [σ]=σs/s=131 MPa ，即钢管的许用应力为131 MPa。所以可得知，钢管所受的最大等效应力、最大轴向应力以及最大径向应力都远低于其许用应力，满足强度要求[10]。
图5 钢管柔性连接的Von Mises应力、应变云图
从钢管柔性连接应变云图可知，钢管所受的最大应变仅为2.96×10-4 mm，表明钢管柔性连接在承受足够工作压力后，没有发生错位现象，即不会存在泄漏隐患。
由于密封圈沟槽成型处为强度薄弱环节，所以在等效应力最大处的成型部位求解线性化应力值[11]，线性化应力值云图如图6所示。
图6 线性化应力值云图
根据所求解的线性化应力值得出应力随长度变化曲线，如图7所示。从图7可以看出，在密封圈沟槽成型处整体受力均匀，不存在应力集中现象，满足使用要求。
图7 应力随长度的变化曲线
（1）柔性连接钢管的最大等效应力、最大轴向应力以及最大径向应力均出现在柔性连接周围处，其中最大等效应力值为55 MPa，最大径向应力为 10.4 MPa，最大轴向应力为 13.9 MPa，满足钢管强度要求。
（2）柔性连接钢管的最大应变同样出现在柔性连接周围处，最大应变仅为2.96×10-4 mm，说明柔性连接钢管在承受足够的工作压力时，没有发生错位现象，表明钢管在工作状态下不会存在泄露隐患。
（3）根据密封圈沟槽成型处应力变化曲线图得知，其整体受力均匀，不存在应力集中现象，满足使用要求。
关羽平生以义气著称，《三国演义》中记载着很多关于他的故事和传说，比如“温酒斩华雄”“千里走单骑”“华容捉放曹”“水淹七军”“单刀赴会”等。
参考文献：
[1]高颖,李强.大口径直缝焊管有限元仿真技术[J].重型机械,2008（4）:1-6.
[2]沈之基.我国输水钢管连接技术和美国柔性接口[J].上海水务,2006（4）:29-31.
[3]詹迪维.Solidworks 机械设计教程 2013[M].北京:机械工业出版社,2013:1-3.
[4]李范春.ANSYS Workbench 设计建模与虚拟仿真[M].北京:电子工业出版社,2011:216-217.
[5]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2013:241-246.
[6]王成刚,游应强,孙宝坤.基于ANSYS Workbench 的微型隔膜泵橡胶隔膜的有限元分析[J].机械,2018,45（3）:1-5.
[7]高耀东.ANSYS Workbench 机械工程应用精华30 例[M].北京:电子工业出版社,2013:224-234.
[8]凌桂龙,丁金滨,温正.ANSYS Workbench 13.0 从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2012:57-66.
[9]殷咏胜,陈伟山.基于Ansys Workbench 大口径复合橡胶软管有限元分析[J].特种橡胶制品,2016（3）:66-70.
[10]王社.材料力学[M].西安:西北工业大学出版社,2008:20-22.
[11]浦广益.ANSYS Workbench 基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2013:135-145.
Finite Element Analysis of Flexible Steel Pipe Connection Based on ANSYS Workbench
YANG Peidong
（Shanxi Engineering Vocational College,Taiyuan 030009,China）
Abstract:Aiming at the defects of weld crack and complicated process on the butt joint welding of steel pipes,a new flexible connection method of steel pipe is developed.Solid model was established by using Solidwoks 3D drawing software,and using ANSYS Workbench finite element analysis software to simulate the actual working conditions of steel pipes.Using the 2-parameter Moony-Riverin super-elastic material model for O-type sealing ring,and applying the fourth strength theory to calculate.The maximum equivalent stress,maximum radial stress,maximum axial stress and maximum equivalent strain of the steel pipe are 55 MPa,10.4 MPa,13.9 MPa and 2.96×10-4 mm respectively.The analysis results show that when the steel pipe is flexibly butted,the stress and strain of the steel pipe are within the allowable range,and the strength requirement is met,and no leakage phenomenon occurs.The results of this study show that the flexible connection method is safe and reliable.
Key words:steel pipe; flexible connection; finite element analysis; ANSYS Workbench
中图分类号：TG495
文献标识码：B
DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.3.007
作者简介：杨佩东（1988—），男，硕士，主要从事有限元分析技术等方面的研究。
收稿日期：2018-10-29
编辑：谢淑霞
联系客服
