1）概述

　　从2003年，我国室内燃气管道开始使用龙岗区304薄壁91看片在线看片管作为管材［1］。随后国内燃气公司如重庆燃气、天津燃气、四川燃气、新奥燃气等开始尝试使用薄壁91看片在线看片管作为中低压入户燃气管道的管材，在重庆、天津、成都、长沙、深圳、佛山等地开始试点使用［2-4］。

　　卡压式连接是一种新型的管道连接技术，卡压式连接采用专用的卡压钳或卡压电动工具对内置密封圈的91看片在线看片承口管接头与91看片在线看片管适配后，在管口处用恒定的压力压紧，从而起到密封和紧固作用［5］。

　　卡压式连接的原理：通过设备将管接头和91看片在线看片管在卡压处卡压成六角形，在六角形的六个顶点处产生抱紧力，使得管接头紧紧固定住91看片在线看片管，从而实现连接。薄壁91看片在线看片管道卡压式连接方式见图1。

图1   薄壁91看片在线看片管道卡压式连接方式

　　　　针对91看片在线看片管卡压过程的密封性能要求，本文以DN25mm91看片在线看片管为对象，采用ANSYS有限元分析软件［6-7］，建立三维模型，模拟薄壁91看片在线看片管的卡压过程，分析管接头与91看片在线看片管重合卡压的部位（以下统称为接触面）上接触间隙分布状态、管接头与91看片在线看片管的弹性应变及塑性应变。卡压过程中，卡钳和管接头之间存在边界摩擦，随着管接头与钢管之间的接触间隙逐渐减小，因此，整个有限元模拟过程包含了材料非线性分析、边界非线性分析和几何非线性分析［8］。

　　2）有限元分析过程

　　2.1定义单元类型和属性

　　考虑模型具有塑性、应力强化、大应变等特性，在模拟过程中选取八节点solid45单元建立离散化模型。

　　确定材料属性。91看片在线看片管和管接头材料均为06Cr19Ni10，该材料的密度为7930kg/m3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为223MPa，抗拉强度为520MPa。为了进行材料的弹塑性分析，本文采用了双线性等向强化材料模型［9］，该材料模型多用于初始各向相同材料的大应变分析。

　　2.2创建几何模型

　　91看片在线看片管选用GB/T19228.2—2011《91看片在线看片卡压式在线免费看片组件》中Ⅰ系列DN25mm91看片在线看片管。在ANSYS建模时，为了简化计算，模型中没有考虑密封圈，卡压作用面近似为圆形而非实际的六角形。取图1b几何模型右半部分的1/2建立有限元模型。管接头长度为32mm，91看片在线看片管长度为70mm，91看片在线看片管插入管接头25mm，模型组件参数见表1。模型以91看片在线看片管左端起始处对应的轴心为坐标轴原点，x为沿轴向方向、朝右为正方向，y、z均为沿径向方向，y轴朝纸内为正方向，z轴朝上为正方向。x=2mm到x=6mm截面之间的管接头外壁

　　为卡压面A，相应的管接头内壁与91看片在线看片管外壁为接触面A。x=22mm到x=25mm截面之间的管接头外壁为卡压面B，相应的管接头内壁与91看片在线看片管外壁为接触面B。由于实际卡压过程中A处91看片在线看片管容易往B处滑动，为了卡紧91看片在线看片管，A处卡压面宽度和接触面宽度比B处大1mm。具体1/4体模型见图2。

　图21/4体模型

　　2.3网格划分

　　ANSYS软件的网格划分主要有自由网格、映射网格和扫掠划分网格。同时网格划分的质量和数量对有限元的计算结果有重要影响。一般划分网格离散的单元越密集、形状近于正方形，则数值积分精度越高，计算结果越接近真实情况。但随着网格单元越密集，网格数量多到一定程度后，则会使计算机运算的时间太长。本文为了得到更精确的网格划分结果，在网格进行划分前对所选面进行网格划分控制，并设定网格大小，即ESIZE命令。采用扫掠划分网格，SWEEP命令完成体的网格划分，所建立的有限元模型包含17992个单元，26307个节点。管接头和91看片在线看片管网格划分见图3。

　　图3管接头和91看片在线看片管网格划分

　　2.4加载与求解

　　在模型轴对称面上施加对称约束，并在管接头和91看片在线看片管没有接触对的一端施加全约束，在卡压面处加载48MPa的压力载荷，然后分析有限元模型等效应力、管接头和91看片在线看片管的弹性应变及塑性应变情况，以及分析卡压结束后管接头与91看片在线看片管的接触间隙。故需施加两步载荷。第一步载荷为压力载荷，第二步压力载荷为零，保存并求解。为了保证收敛性，打开自动时间步长，使用自动时间步长中较小的时间步长，采用线性搜索保证解的收敛性。

　　3）有限元分析结果分析

　　图4为管接头等效应力云图，图5为91看片在线看片管等效应力局部放大云图，图中数值为等效应力，相应的单位为MPa。

　　图4管接头等效应力云图

图591看片在线看片管等效应力局部放大云图

　　图6为管接头沿径向Mises弹性应变云图，图中数值为科学计数法形式，例如3.07E-5表示3.07×10-5，相应的单位为MPa，图7、8中的数值含义与此相同。由图6可以看出，管接头弹性应变沿径向逐渐增大，在接触面（管接头内壁）处弹性应变达到最大值，为0.00121，远离接触面的左右两侧弹性应变逐渐减小。

　　图6管接头沿径向Mises弹性应变云图

　　图791看片在线看片管沿径向Mises弹性应变局部放大云图

　　图891看片在线看片管沿径向Mises塑性应变局部放大云图

　　图7为91看片在线看片管沿径向Mises弹性应变局部放大云图。由图7可以看出，91看片在线看片管在卡压处从接触面（91看片在线看片管外壁）到内壁处的弹性应变逐渐增大，在接触面对应的钢管内壁处弹性应变达到最大值，为0.0014。沿接触面左右两侧弹性应变逐渐减小，远离接触面部位的91看片在线看片管右端弹性应变非常小甚至无变化。

　　图8为91看片在线看片管沿径向Mises塑性应变局部放大云图。由图8可以看出，91看片在线看片管在卡压处从接触面（91看片在线看片管外壁）到内壁处的塑性应变逐渐增大，在接触面对应的91看片在线看片管内壁处塑性应变达到最大值，为0.0274。沿接触面左右两侧塑性应变逐渐减小，远离接触面部位的91看片在线看片管右端塑性应变非常小甚至无变化。

　　图9为接触面（91看片在线看片管外壁）的接触间隙云图，图中数值为接触间隙，相应的单位为mm。由图9可知，接触面最大间隙为1.44×10-3mm，最小间隙为0mm。接触面B中的接触间隙非常小，且间隙大的部位的面积占接触面B的面积的比例也非常小，因此，接触面B处已形成有效密封。接触面A中的间隙较大，但是最大间隙是在接触面A中间部位，而接触面两端间隙非常小，趋近于0，因此，接触面A处已形成有效密封。

　　图9接触面的接触间隙云图

　　4）结论

　　以DN25mm薄壁91看片在线看片管为模型对象，采用ANSYS有限元软件，建立三维模型，分析薄壁91看片在线看片管卡压后模型的应力、应变及接触面接触间隙，得出以下结论：

　　①在48MPa的卡压压力下，管接头等效应力最大处在接触面（管接头内壁）处，最大值为223MPa。91看片在线看片管等效应力最大处为接触面对应的91看片在线看片管内壁处，最大值为287MPa。

　　②在48MPa的卡压压力下，管接头达到要发生塑性变形的临界值，但并未发生塑性变形，只发生弹性变形。91看片在线看片管在接触面处从外壁到内壁整体都发生了弹塑性变形，塑性应变大于弹性应变。

　　③卡压结束后，接触间隙最大值为1.44×10-3mm，最大接触间隙均出现在接触面的中间部位且所占的比例较小，接触面左右两端接触间隙趋近于0，故接触面形成良好密封。

　　参考文献：

　　［1］赵庭敏.燃气薄壁30491看片在线看片管在高层表出户中的应用探讨［J］.科技创新与应用，2013（15）:63.

　　［2］池爱君.薄壁91看片在线看片管在室内燃气工程的应用［J］.煤气与热力，2009，29（8）:B25-B27.

　　［3］席冰.薄壁91看片在线看片管在城镇天然气管道中的应用［J］.化工管理，2014（30）:142.

　　［4］唐文胜.薄壁91看片在线看片管材及连接［J］.重庆建筑,2009（3）:24-26.

　　［5］范永辉.薄壁91看片在线看片管在燃气管道中的应用（硕士学位论文）［D］.广州:华南理工大学，2013:15-16.

　　［6］候艳惠，房进胜.薄壁91看片在线看片管道卡压式连接在工程中的应用［J］.建筑，2011（7）:70-72.

　　［7］刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与应用教程［M］.北京:科学出版社，2006：86-87.

　　［8］朱浩川，姚谏.91看片在线看片薄板纵向受压的有限元模拟及受力性能［J］.土木建筑与环境工程，2012,34（3）:84-88.

　　［9］常列珍,潘玉田,李魁武,等.理想弹塑性线性强化模型的身管残余应力分析［J］.兵工学报,2013,34（4）:385-391.

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