夏勝建 張曉忠 黃曉云 陳詩(shī)愛(ài) 李美蓉 王瑩瑩

摘 要：基于鋼塑過(guò)渡件的實(shí)際載荷工況，結(jié)合市場(chǎng)常用的倒齒形鋼塑過(guò)渡件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)該結(jié)構(gòu)件的主要密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。并利用有限元分析方法和正交試驗(yàn)分析方法，對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)件的可靠性及安全性進(jìn)行分析，研究了影響鋼塑轉(zhuǎn)換過(guò)渡件等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力的主要因素，得出了一種適用最優(yōu)的聯(lián)接方式及結(jié)構(gòu)參數(shù)，為鋼塑過(guò)渡件在實(shí)際工況中設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋼塑過(guò)渡件;有限元分析;等效應(yīng)力;接觸應(yīng)力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.001

1 概述

在國(guó)內(nèi)，20世紀(jì)80年代只有法蘭聯(lián)接的鋼塑過(guò)渡件和直徑較小的預(yù)制鋼塑過(guò)渡件兩種。法蘭聯(lián)接的鋼塑過(guò)渡件是在聚乙烯管端對(duì)接熔焊上一個(gè)聚乙烯的法蘭頭，聚乙烯法蘭頭通常是注塑成型的;在法蘭頭的后端套上一個(gè)金屬的背壓活套法蘭，這樣就可以將PE管和金屬管通過(guò)法蘭聯(lián)接的方式聯(lián)接在一起。隨著時(shí)代發(fā)展，市場(chǎng)常用的鋼塑過(guò)渡件主要分為：注塑成型式、護(hù)殼式、法蘭式、支撐環(huán)式以及PE管與閘閥直接相連式。其中，護(hù)殼式和支撐環(huán)式的鋼塑過(guò)渡件為最常見(jiàn)的兩種，都具有聯(lián)接牢固、抗腐蝕、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著諸多不足，其中最主要的問(wèn)題是隨著鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件服役時(shí)間的增長(zhǎng)，PE管在各種外力的作用下會(huì)發(fā)生蠕變，產(chǎn)生軸向位移，這將造成鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的密封性能無(wú)法保證，尤其將其用于埋地燃?xì)夤艿老到y(tǒng)時(shí)存在較大的安全隱患;另外，支撐環(huán)式的鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部，由于支撐環(huán)的存在又導(dǎo)致管件局部通徑變小，致使管件在測(cè)試與實(shí)際運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較大的壓力降，尤其是小規(guī)格的鋼塑轉(zhuǎn)換管件的使用影響較大。

綜上所述，不同形式的鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和市場(chǎng)需求導(dǎo)向，對(duì)鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的齒類(lèi)型

鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位參數(shù)有接觸面接觸長(zhǎng)度、接觸面鋼管的齒形、齒數(shù)和齒深。接觸面鋼管齒形對(duì)鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的使用性能影響較大，現(xiàn)有的鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件齒的類(lèi)型主要分為：倒齒形、V型齒、T型齒、矩形齒、半圓形齒等。其中，倒齒形結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用最為廣泛。

2.2 倒齒形結(jié)構(gòu)分析

將倒齒形鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件繪制成三維模型的同時(shí)將其導(dǎo)入到有限元軟件中，定義材料屬性、創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格單元、添加約束載荷及分析設(shè)置求解等過(guò)程，形成三維有限元模型。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的失效問(wèn)題，在利用有限元軟件進(jìn)行分析設(shè)置求解中主要得到等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力云圖。其中，等效應(yīng)力遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，采用應(yīng)力等值線(xiàn)來(lái)表示模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，可以快速確定模型中的最危險(xiǎn)區(qū)域，等效應(yīng)力越低，其結(jié)構(gòu)越安全;接觸應(yīng)力反應(yīng)接觸處是否滿(mǎn)足密封要求。在額定壓力0.6MPa工況下倒齒形鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力云圖如圖1和圖2所示，其具體數(shù)值見(jiàn)表1。

由圖1可知，該結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)早期失效，直接影響該結(jié)構(gòu)件的使用壽命。由圖2可知，密封接觸處的接觸應(yīng)力較小，即接觸處的密封比壓較小，無(wú)法很好的滿(mǎn)足密封要求。

等效應(yīng)力即米塞斯（Von-Mises）屈服準(zhǔn)則，數(shù)學(xué)表達(dá)式：

所以，米塞斯（Von-Mises）屈服準(zhǔn)則可表述為在一定的變形條件下，當(dāng)受力物體內(nèi)一點(diǎn)的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，該點(diǎn)就開(kāi)始將進(jìn)入塑性狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的具體情況，由于該結(jié)構(gòu)件同時(shí)受到材料屬性，截面形狀及載荷情況的共同影響，因此采用等效應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)對(duì)倒齒形鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件有限元分析，擬通過(guò)找到影響鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件等效應(yīng)力的因素，并結(jié)合倒齒形鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的有限元分析結(jié)果，對(duì)倒齒形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到一種等效應(yīng)力小，接觸應(yīng)力大的鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件。因此，以等效應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)，接觸應(yīng)力為約束條件。影響鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件等效應(yīng)力及接觸應(yīng)力的因素主要有齒形、齒深、接觸長(zhǎng)度、過(guò)盈量和齒數(shù)等。本次分別以上述影響因素為優(yōu)化參數(shù)變量進(jìn)行鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確定鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行有限元分析前，根據(jù)測(cè)量現(xiàn)有的鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件中相關(guān)零件的幾何尺寸，建立三維模型。同時(shí)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.1-2015和GB/T 8163-2008，得到鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件中鋼管、PE管和緊固件的材料、彈性模量、泊松比及密度，見(jiàn)表2。

2.3.1 齒形改變

在現(xiàn)有的鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的齒形基礎(chǔ)上，分別改變鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件鋼管端齒的結(jié)構(gòu)為V齒和倒齒，并對(duì)其有限元分析，結(jié)果如下所示：

由表3可以看出，鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的齒形為齒形1（V形齒）時(shí)，其相應(yīng)的等效應(yīng)力與接觸應(yīng)力最優(yōu)。

2.3.2 齒深改變

通過(guò)分析鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的齒深對(duì)其性能的影響，現(xiàn)將鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件鋼管端齒的深度增加2mm，進(jìn)行有限元分析。由于齒深增加后引起兩種情況，并對(duì)兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析：一種情況是齒數(shù)不變，密封面接觸長(zhǎng)度增加;另一種情況是接觸長(zhǎng)度不變，齒數(shù)減少。

由表4可以看出，鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的齒深為3mm即原有齒深時(shí)，其對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力與接觸應(yīng)力最優(yōu)。

2.3.3 密封面接觸長(zhǎng)度的確定

在保證鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件密封性能的前提下，需要對(duì)鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件整體的接觸長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，以此得到最優(yōu)的結(jié)果。因此，分別改變鋼塑轉(zhuǎn)換頭的接觸長(zhǎng)度為110mm，115mm，120mm，125mm，130mm時(shí)，得到的鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的接觸長(zhǎng)度與接觸應(yīng)力的關(guān)系，見(jiàn)表5，利用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出圖11。

根據(jù)圖11中可知，接觸長(zhǎng)度為120mm時(shí)，鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的接觸應(yīng)力最優(yōu)。

3 結(jié)論

利用有限元分析方法，對(duì)現(xiàn)有的倒齒形鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析。結(jié)果表明：現(xiàn)有結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力（應(yīng)力集中）較大，將導(dǎo)致產(chǎn)品接觸部位發(fā)生早期失效;現(xiàn)有結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力（密封比壓）過(guò)小，這將導(dǎo)致聯(lián)接件密封性能較差，易發(fā)生泄漏。

利用正交試驗(yàn)分析方法，研究了影響鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力的主要因素。利用有限元分析軟件，分別對(duì)聯(lián)接件的齒形、接觸長(zhǎng)度和齒數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的齒深為3mm（即原有齒深時(shí)），其對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力與接觸應(yīng)力最優(yōu);接觸長(zhǎng)度為120mm時(shí)，鋼塑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)件的接觸應(yīng)力最優(yōu)。

根據(jù)分析方法確定最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，提供了鋼塑過(guò)渡件的可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：夏勝建（1987-），男，浙江溫州人，本科，工程師，主要從事機(jī)械及閥門(mén)的設(shè)計(jì)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作。