不锈钢螺旋筋瓦斯抽放管的优化设计

作     者：王宁 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈占春

授予年度：2015年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：瓦斯抽放管 螺旋筋 薄壁管壳 外压 屈曲分析 参数优化 

摘      要：瓦斯抽放技术对于煤矿瓦斯安全、瓦斯资源利用和环境保护有重要意义，在煤矿企业中得到广泛应用。其中，瓦斯抽放管道的铺设是一项复杂、重要的工作。随着抽放技术的不断发展，瓦斯抽放管道也经历了钢管、玻璃钢管、塑料管、骨架增强塑料管和覆层螺旋波纹钢管的不断改进。这些管道还是存在各自的不足，瓦斯管道的基本要求包括：阻燃、抗静电、塑性好、强度高，除此之外还需要成本低、质量轻、耐腐蚀等。近几年来又出现了一种新的瓦斯抽放管道，它采用不锈钢材料生产，满足了瓦斯抽放对于管道性质的各种要求，并已经得到推广应用。 对这种不锈钢材料的瓦斯抽放管的设计，主要采用增加加强筋、减小管壁厚度的方法，这种方法广泛应用于一些薄壁结构中。考虑到生产工艺是将不锈钢带螺旋卷曲焊接成型，所以采用螺旋形的加强筋。因此螺旋筋结构的设计及它对提高管道强度的影响成为这种瓦斯管道推广使用的关键问题，这也是本文研究的主要内容。 这种管道的失效形式主要是屈曲失稳，所以着重介绍了相关薄壁管壳屈曲的一些基本理论和研究方法。宏观角度根据能量法理论，外载荷对管壳所作的功转化为管壳的应变能，应变能的大小与管壳的变形状态有关。微观角度根据薄壁构件稳定理论，施加在管壁上的应力状态由单纯的正应力平衡状态越变为以弯曲应力为主的新的平衡状态。可以通过理论公式计算无筋圆柱壳在各种外压下的临界失稳载荷大小，作为参照与加筋管壳对比。增加螺旋筋改变了管壳原来的截面形状，截面惯性矩发生改变，不能按照理论公式来计算管壳的临界失稳载荷，可以借助有限元分析软件来对不规则模型进行屈曲分析仿真和参数优化。 建立不同类型螺旋筋、不同长度的理论模型，采用壳单元对模型进行网格划分，参考实际情况定义模型的约束边界条件和载荷情况，由简单到复杂逐步分析其失稳特点。第一步分析在受到侧向（径向）外压时的屈曲变形，建立几种管壳的模型分别进行特征值屈曲分析，并对某个节点添加初始缺陷（几何、材料）进行非线性分析，最后对多个变量进行目标优化来确定其壁厚参数能达到的最小值。第二步分析在受到轴向外压时的屈曲变形，选择不同长度、不同类型管壳结构，多方面综合交叉比较，得出壁厚、长度和螺旋筋等因素与其轴向临界载荷大小的关系。第三步分析在同时受到侧向和轴向的外载荷时管壳的屈曲变形，绘制不同长度管壳的侧向临界载荷与轴向载荷的变化曲线。 通过分析得出：螺旋筋能提高管壳的侧向失稳载荷（环刚度）3倍以上,优化分析219mm直径加筋管壳的厚度为0.6mm即可满足规定安全系数的要求;螺旋筋改变了管壳的变形状态，管壳受到轴向载荷时，螺旋筋的增加会降低其临界载荷值;轴向临界载荷随长度的增加先逐步增大再急剧减小，最大值总是在模型发生整体变形和局部变形的临界点上;同时受轴向和侧向载荷时，轴向载荷在安全值以内时侧向临界载荷值下降缓慢，超过安全值后急剧下降，轴向载荷大小要控制在安全值以内。