均压胀管力学分析及橡胶胀管关键技术

华东理工大学博士 学位 论 文第 I 页均压胀管力学分析和橡胶胀管关键技术摘 要换热器是石油、 化工、能源等行业常见设备， 胀管是换热器管子与管板连接的主要方法。 本文进行了 均压胀管的力学分析， 研究了 橡胶胀管的关键技术，获得了多项研究成果。在此基础上提出了橡胶胀管主要工艺参数的确定方法，开发了R P - 4 0 0新型橡胶 胀 管 机 . 主 要 成 果 分 述 如 Q “1 、双筒模型外筒当量直径的确定是能否用双筒模型来准确模拟多孔管板与换热管胀接接头进行力学分析的关键。 本文借助有限 元分析工具， 逐层分析了周围管孔对被胀管孔的影响，建立了多孔管板结构尺寸与双筒模型外筒当量直径的关系， 得到了计 算 当 量 直 径 的 表 达 式 。 份计算式是建立在力学分析基础上的，更为科学，适用范围更广，计算式简单， 对简化多孔管板的力学分析具有重要的意义。通过对图解法的分析发现，决定胀管残余接触压力值的不是管材的屈服强度， 而是 胀 管 压 “ 达 到 最 大 值 ” 管 子 的 应 力 值 。 令 而 证 明 了 用 ” 服 强 度 等 于 该 应 “ 值 的 理 想 弹塑性材料的管材计算得到胀接接头的接触压力与残余接触压力和用管材实际应力应变关系计算得到的接触压力和残余接触压力完全相等. 据此本文提出了管材当量理想弹塑性材料屈服强度的概念和胀接接头层间残余接触压力计算方法。进一步简化，作者提出了由 管子与管板之间的原始间隙和管子应力应变曲线获得管材当量屈服强度的近似解的方法。由 于已 经将管材转化为当量理想弹塑性材料，从而可以 将复杂的计算层间残余接触压力的图解法转化为简洁的解析解，该方法理论严格，计算简便.有限元计算表明，该方法具有相当高的精度.扮)一 管板孔壁开槽是提高胀接接头拉脱力和密封性能的重要手段，适宜的开槽宽度是获么玉得 攀 高 密 封 压 力 的 关 N J I 管板开槽宽度的研究结果表明:管子与管板孔壁贴合时管子早已屈服，贴合后1 加载过程中的应力应变增量很小.其应力应变关系可以用一直线描述，因而可以将该塑性段的斜率视为弹性模量，直接将板壳理论中周边固支受内压圆筒的弹性分析成果用于管子与管板贴合后压力增量与开槽处管段应力增量与变形增量关系的分 析 · 结 果 发 现 ， 当 槽 深 足 够 深 时 存 在 一 槽 宽 2 一 2 .5 8 r. ,万 ， 使 得 开 槽 尖 角 处 的第1 1 页华东 理工大学博 士 学 位 论 文线残 余接 触压力 最 大， 与 用有限 元 计 算获 得的2 L , 值 基 本吻 合。 该开 槽宽 度 仅与 管子的几何尺寸有关，而与管子材料的应变强化性能及胀管压力无关。进一步考虑开槽深度有限这一实际情况，在全面分析了开槽处管段变形挠度与槽 尖 角 处 线 接 触 压 力 和 开 槽 宽 度 关 系 的 基 础 上 给 出 了 适 宜 槽 宽 值 2 L , = 1 .8 了 r . ,1 。 这是第一次从力学理论分析获得适宜开槽宽度的设计计算方法。本文获得的适宜槽宽值与目 前国内外学者通过试验所给出的推荐值基本一致: 在此基础上还给出了管板开槽时胀管压力的计算式。橡胶体轴向 加载时的力学分析结果表明， 橡胶体作用于管内 壁的径向 胀管压力与该处橡 胶弹 性体轴向 压力 之比( 即 压力 传递 效率) 为P , / ( 1 - ,u , ) ， 可见 压力 传递效 率的 大 小取 决于 橡胶 弹性 体的 泊 松比A， 在k , = 0 .4 9 时， 压 力 传递效 率高 达% % 。试验和力学分析都证明，橡胶胀管过程中橡胶弹性体与管子内壁的摩擦作用会导致胀管压力沿管子轴向分布不均匀，致使残余接触压力沿轴向分布也不均匀。本文给出 了 橡 胶 胀 管 时 不 同 摩 擦 系 数 情 况 下 橡 胶 弹 性 体 端 部 轴向 压 力P作 用 下 管内 壁 胀管 压 力P , 、 层间 接 触 压力P , 和 残 余 接 触 压 力凡沿管 子 轴向 的 分 布方 程， 为 橡 胶 胀管工艺制定提供了科学依据。鉴于橡胶与管壁之间的高摩擦系数对层间残余接触压力的不均匀分布程度影响很大，本文提出多项降低摩擦系数的措施，并进行了试验， 研制出了摩擦系数较低的新型弹性体， 大大改善了厚管板橡胶胀管胀接接头的 胀接质量。为了胀管研究试验和胀管技术研究成果转化的需要，作者成功开发了 R P - 4 0 0型橡胶胀管机，并结合橡胶胀管的特点， 提出了 橡胶胀管工艺的制定方法。实践证明， 该 机 器 安 全 可 靠 ， 作 业 效 率 高成 本 低 ， 完 全 可 以 满 足 生 产 需 要 。 卜-关键词胀管 橡胶胀管 胀管装备 适宜开槽尺寸 残余接触压力计算 一 户J. 一 裸华东 理工大学博 士 学 位 论 文第 I I I 页Me c h a n i c a l A n a l y s i s o f U n i f o r m - P r e s s u r e T u b e - E x p a n d i n g a n dI n v e s t i g a t i o n o f R u b b e r T u b e - E x p a n d i n g K e y T e c h n o l o g yAb s t r a c tH e a t e x c h a n g e r s a r e w i d e l y u s e d i n p e t r o le u m , c h e m i c a l , p o w e r i n d u s t r i e s .T u b e - e x p a n d i n g i s t h e m a i n m e t h o d f o r c o n n e c t i o n o f t u b e t o t u b e s h e e t . I n t h i s d is s e r t a t i o n ,M e c h a n i c a l a n a l y s i s o f u n i f o r m - p r e s s u r e t u b e - e x p a n d i n g a n d t h e k e y t e c h n o l o g y o f ru b b e rt u b e - e x p a n d i n g w a s r e s e a r c h e d . T h e n t h e ru b b e r t u b e - e x p a n d i n g t e c h n o l o g y a n d t h e R P - 4 0 0rub b e r t u b e - e x p a n d e r w e r e d e v e l o p e d . T h e m a i n c o n t e n t s a n d a c h i e v e m e n t s a r e s u m m a r iz e da s f o l l o ws :1 . T h e e q u i v a l e n t d i a m e t e r o f t h e o u t e r c y l i n d e r o f t h e e q u i v a l e n t d o u b l e - c y l i n d e r e dm o d e l i s t h e k e y f o r s i m u l a t i n g t h e t u b e - t o - t u b e s h e e t j o i n t a n d i t s Me c h a n i c a l a n a l y s i s .W i t h t h e a i d o f F E A P r o g r a m , t h e e ff e c t o f s u rr o u n d i n g t u b e s h e e t l i g a m e n t s ( o n e l a y e r b yo n e l a y e r ) o n t h e e x p a n d e d t u b e s h e e t - h o l e w a s i n v e s t i g a t e d . T h e r e f o r e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e e q u i v a l e n t d i a m e t e r o f t h e o u t e r c y li n d e r a n d t h e g e o m e t ry o f m u l t i- h o l et u b e s h e e t w a s b u i lt u p , f ro m w h i c h t h e c a l c u l a t i o n e q u a t i o n o f t h e e q u i v a l e n t d i a m e t e rw a s 乡 v e n . T h i s r e s u l t i s b a s e d o n t h e Me c h a n i c a l a n a l y s i s , s o i t i s m o r e s c i e n t i fi c a n ds i g n i f ic a n t f o r t h e M e c h a n ic a l a n a l y s i s o f t h e re s i d u a l c o n t a c t p r e s s u re o f t h et u be- t o - t u b e s h e e t j o i n t .2 . I t w a s d i s c o v e r e d t h ro u g h t h e a n a l y s i s o f G r a p h i c M e t h o d t h a t n o t t h e y i e l d s t re s s b u tt h e s t r e s s v a l u e o f t h e t u b e u n d e r t h e l o a d o f t h e t u be e x p a n d i n g p r e s s u r e a p p l i e d , s o t h ea n a l y s i s r e s u l t o f t h e c o n t a c t p r e s s u re a n d t h e re s i d u a l c o n t a c t p r e s s u r e b e t w e e n t h e t u b ea n d t h e t u bes h e e t h o l e u s i n g t h e e l a s t i c - p e r f e c t ly - p l a s t i c m a t e r i a l a r e j u s t t h e s a m e a s t h a tu s i n g t h e a c t u a l s t r a i n - s t r e s s re l a t i o n s h i p o f t h e t u be m a t e r i a l . T h e n t h e c o n c e p t o fe q u iv a l e n t如 e l d s t re s s a n d t h e c a l c u l a t i