CN104217084A - 一种大口径热挤压成型三通的建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径热挤压成型三通的建模方法，属于大口径热挤压成型三通壁厚的计算机模拟与爆破压力评估预测研究领域，包括：简化热挤压成型三通主管和支管的几何尺寸、主管和支管厚度、主管短节和支管短节几何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短节封头和支管短节封头的厚度；建立三通倒角尺寸和各断面厚度变化的模型；进行热挤压成型三通的建模。本发明提供的一种适用于研究大口径热挤压成型三通壁厚的计算机建模方法，根据热挤压三通的成型工艺特点，在实际测量热挤压成型三通壁厚变化规律的基础上，通过上述的计算机建模简化前提得到的各个角度截面的断面的CAD图，并分析得出热挤压成型三通的壁厚分布变化特点。

Description

一种大口径热挤压成型三通的建模方法及装置

技术领域

本发明属于大口径热挤压成型三通壁厚的计算机模拟与爆破压力评估预测研究领域，特别涉及一种大口径热挤压成型三通的建模方法及装置。

背景技术

长输油气管道工程建设中，为了满足分输、变向、计量等需要，站场、阀室及压气站等现场施工常常需要大量的弯头、三通等大口径管件产品。对于热挤压成型三通管件，由于其支管与主管根部独特的圆弧过渡结构，使得三通的结构强度强烈地依赖于支管与主管根部曲率半径R和肩部壁厚t等尺寸。ANSI B16.9管道规范提出了一系列管道元件的尺寸要求。对于三通主要包括主管长度和支管位于主管中线以上的高度，以及外径及端部的壁厚和焊接坡口的尺寸，但对于主、支管过渡处的尺寸和整体形状没有要求。我国石化行业的有关规范也基本沿用了以上规定。实际上，不同厂家、不同生产工艺以及按不同的模具生产的同规格热挤压成型三通各部位几何尺寸并不完全相同，尤其是壁厚和主支管过渡处的曲率半径，而这两个参数对管件的强度均有较大影响。所以在实体模型建立的过程中，首先分析实际热挤压成型三通的几何尺寸，特别是各部位厚度及相贯区曲率半径，寻找其变化规律，建立与实际热挤压成型三通误差在可控范围内的有限元分析模型。

现有的文献资料表明还没有关于材质为X80，规格为Φ1219mm×1219mm×1219mm和Φ1219mm×1219mm×900mm三通方面用计算机模拟其爆破压力的实例，更没有关于计算机模拟爆破压力的结果与实际爆破压力相比较方面的研究。仅有按Mises屈服判据计算的理论初始屈服压力和全屈服压力及按第一、三、四强度理论和中径公式、福贝尔公式等计算以Φ356mm×55mm焊接高压等径三通爆破压力的结果与实际爆破压力结果相比较。该种等径三通为焊接高压三通而非大口径厚壁热挤压三通，其三通的各个壁厚尺寸较均匀，可以很好的预测。但得到的实际结果与理论计算值仍有很大的差别。且单个爆破试验数据不具有代表性。

关于热挤压成型的大口径三通，现有计算机模拟方法均将三通的主管和支管的壁厚看作是在整个周向厚度均匀，且主管与支管连接的肩部为两个管壁厚的光滑过渡，在整个周向上均匀等厚。这种假设本身就大大偏离了热挤压成型工艺三通的实际尺寸情况，因此在此基础上的计算更与实际情况偏差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大口径热挤压成型三通的建模方法，用于实现大口径热挤压成型三通的准确软件建模。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种大口径热挤压成型三通的建模方法，包括：

简化热挤压成型三通主管和支管的几何尺寸、主管和支管厚度、主管短节和支管短节几何尺寸、肩部倒角的厚度及主管短节封头和支管短节封头的厚度；建立三通倒角尺寸和各断面厚度变化的模型；进行热挤压成型三通的建模。

本发明还提供了一种大口径热挤压成型三通的建模装置，包括：

简化单元，用于简化热挤压成型三通主管和支管的几何尺寸、主管和支管厚度、主管短节和支管短节几何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短节封头和支管短节封头的厚度；

模型初建单元，用于建立三通倒角尺寸和各断面厚度变化的模型；

三通建模单元，用于进行热挤压成型三通的建模。

本发明提供的一种适用于研究大口径热挤压成型三通壁厚的计算机建模方法，根据热挤压三通的成型工艺特点，在实际测量热挤压成型三通壁厚变化规律的基础上，通过上述的计算机建模简化前提得到的各个角度截面的断面的CAD图，并分析得出热挤压成型三通的壁厚分布变化特点。根据三通管径壁厚的变化规律建立热挤压成型的三通模型，巧妙地化解了每一个热挤压成型三通的壁厚尺寸均不同的复杂性，及热挤压成型三通各部分壁厚不同的特点，建立大口径热挤压成型三通的壁厚关键尺寸数据库。并模拟热挤压成型三通在承受内压过程中的受力情况，进行三通爆破压力评估与预测分析，并建立了三通管件的计算爆破压力值数据库。有效解决了因热挤压成型三通壁厚尺寸的复杂分布而不利于准确地进行计算机模拟预测爆破压力和相应地工程计算的缺点，为管道工程设计人员提供了一种便捷可行的设计计算方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大口径热挤压成型三通的建模方法流程图；

图2为本发明实施例中热挤压成型三通的截面示意图；

图3为本发明实施例中根据相应三通壁厚生成的0°、30°、45°、60°和90°断面示意图；

图4为本发明实施例中进行热挤压成型三通的SolidWorks2010软件建模方法流程图；

图5为本发明实施例中热挤压成型三通的模型控制断面示意图；

图6为本发明实施例中生成的三通模型主管和主管短节断面示意图；

图7为本发明实施例中生成的三通模型支管和支管短节断面示意图；

图8为本发明实施例中生成的三通主管短节封头和支管短节封头断面示意图；

图9为本发明实施例提供的一种大口径热挤压成型三通的建模装置结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的大口径热挤压成型三通的建模方法流程图，包括以下步骤：

步骤101、简化热挤压成型三通主管和支管的几何尺寸、主管和支管厚度、主管短节和支管短节几何尺寸、肩部倒角的厚度及主管短节封头和支管短节封头的厚度。

由于实际生产的热挤压成型三通管件的壁厚各部分(主管、支管、封头)的几何尺寸不同，且每一部分的不同角度断面上的厚度分布不同，且同一角度断面上的壁厚厚度也不是恒定不变的。因此，在进行计算机建模时，有必要根据三通壁厚的变化规律，对其壁厚尺寸进行必要的简化，其简化的总体原理如下：

(1)将所述三通主管和支管的外形简化成标准的圆柱形；

(2)将所述三通的支管端部壁厚简化为均匀壁厚，取所测壁厚的平均值；

(3)将所述三通的主管断面简化为外轮廓为圆，内轮廓为椭圆，且两个非同心圆，内圆(椭圆)圆心位于外圆圆心正下方；

(4)所述三通的肩部倒角厚度简化方法为：由现场测得的厚度及外轮廓画出各个角度断面图，测出各断面内外倒角半径，运用SolidWorks软件建模时可以自动建立变半径倒角；

(5)将所述三通的主管短节和支管短节简化为标准的圆柱体；

(6)将所述三通的主管短节封头和支管短节封头简化为标准的半椭球体。

具体的简化方法如下：

(1)三通主管和支管几何尺寸的简化：由于在热挤压生产工艺中鼓包挤压的工序，三通主管和支管的外形不会是十分标准的圆柱形，故为了模型的简便，将主管和支管的外形简化成标准的圆柱形。

(2)支管的厚度简化：由所测厚度的分析将支管端部壁厚简化为均匀壁厚，取所测壁厚的平均值。

(3)主管的厚度简化：主管端部厚度显示为上大下小，从上至下厚度平缓过度，故将主管端部断面简化为两个非同心圆，内圆圆心位于外圆圆心正下方；三通横断面部位主管处的厚度分析可知，一般为左右两侧的厚度最大，底部的厚度最小，故将三通横断面处主管断面简化为外轮廓为圆，内轮廓为椭圆。

(4)肩部倒角厚度的简化：由现场测得的厚度及外轮廓画出各个角度断面图，测出各断面内外倒角半径，运用SolidWorks软件建模时可以自动建立变半径倒角。

(5)主管短节和支管短节的简化：根据现场所测的厚度，主支管短节的厚度均匀，故简化为标准的圆柱体。

(6)主管短节封头和支管短节封头的简化：根据现场所测的厚度，主支管封头的厚度均匀，故简化为标准的半椭球体。

步骤102、建立三通倒角尺寸和各断面厚度变化的模型。图2为热挤压成型三通几何尺寸示意图，其中C为三通主管长度的一半，M指支管位于主管中线以上的高度，D0为三通主管的外径，d0为三通支管的外径，R为主管和支管的肩部过渡处的曲率半径。将三通的各部分尺寸进行简化后，对热挤压成型三通进行0°、30°、45°、60°和90°断面的壁厚实际测量，见图3。将各个测点坐标值输入AutoCAD中，并用样条曲线spling连接，可得到该角度的断面图。由于0°和90°曲线的倒角曲率即为主管和支管交接面曲率，故按0°和90°倒角建模。倒角半径由每段圆弧半径的平均值来确定。

步骤103、进行热挤压成型三通的SolidWorks2010软件建模。根据前面步骤101提供的将热挤压三通模型进行简化后，根据步骤102提供的热挤压成型三通各个断面厚度的变化规律和倒角的变化规律，运用SolidWorks2010软件分别进行主管和主管短节模型、支管和支管短节模型、主管短节封头和支管短节封头模型、三通肩部倒角模型的建立。具体步骤如图4所示：

步骤1031、进行主管和主管短节模型的建立(此时不考虑支管在主管上的开口，先将主管看作一圆管)。图5(1)为主管各个控制断面示意图，包括主管的2和3断面位置和主管短节的1和2断面位置。1/2主管各横断面形状尺寸如图6，其中断面1、2间距为主管短节长度(2C)；断面2，3间距为三通C值即主管的1/2长度，见图2；其中断面1为主管短节(三通连接到其它管线上的主管短节部分)的端部断面(断面在周向的壁厚分布均匀)，断面2为三通主管端部断面，断面3为三通主管横向对称面；主管2，3断面满足了实际尺寸中三通壁厚渐变且同断面上下部位厚度不同的事实。

步骤1032、进行支管和支管短节模型的建立。图5(2)为支管各个控制断面示意图，包括支管的5和6断面位置和支管短节的4和5断面位置。对支管内表面形状进行分析，支管各横断面形状尺寸如图7，其中断面4和断面5间距为支管短节长度(三通连接到其它管线上的支管短节部分)，断面5和断面6间距为三通M值，见图2；其中断面4为支管短节的端部断面(断面在周向的壁厚分布均匀)，断面5为三通支管端部断面，断面6为理想中支管到达三通主管和支管轴线相交处时的断面。

步骤1033、进行主管短节封头和支管短节封头模型的建立，主管短节封头和支管短节封头断面如图8。分别以主管短节管端外径和内径，作为主管短节封头的椭球体的外壁直径和内壁直径，画出椭球体的底面；以实际测量得到的主管短节封头的外壁和内壁高度，作为主管短节封头的椭球体的外壁和内壁的短轴长度，建立主管短节封头的椭球体。分别以支管短节管端外径和内径，做为支管短节封头的椭球体的外壁直径和内壁直径，画出椭球体的底面；以实际测量得到的支管短节封头的外壁和内壁高度，做为支管短节封头的椭球体的外壁和内壁的短轴长度，建立支管短节封头的椭球体。

以DN1219×1219×900型号热挤压成型三通为例(倒角半径由每段圆弧半径的平均值来确定，求得0°平均外倒角曲率半径为120mm，平均内倒角曲率半径163mm；90°平均外倒角曲率半径为271mm，平均内倒角曲率半径为320mm。主管和主管短节实际外径1230mm，0°曲线对应主管端部厚度51.3mm，主管下部厚度45mm，支管外径920mm)，实际测得M＝787mm，C＝889mm，主管短节两端封头间的总长为5200mm，支管短节封头到三通中心的距离是2227mm。主管短节封头的高度395.5mm，支管短节封头的高度303mm。即主管短节封头的建立是以长轴的外壁为1230mm高度(短轴)为395.5mm建立椭球的封头外壁，内壁为1140mm高度(短轴)为350.5mm建立椭球封头的内壁。支管短节封头的建立是以长轴920mm高度(短轴)为303mm建立椭球封头的外壁，长轴830mm高度(短轴)258mm建立椭球封头的内壁。

步骤1034、进行三通肩部倒角的建立，采用变半径倒角。由于三通为对称模型，为计算简便，故取1/4模型。

为保证测得数据的准确性，应使用钢板尺进行主管短节封头和支管短节封头的椭球体的外壁和内壁的长轴测量，且钢板尺的量程范围应大于主管短节端部椭球体的长轴，测量过程中应以钢板尺的一端固定，另一端进行左右移动，找到测得的最大值即为椭球体的长轴尺寸。进行椭球体的短轴测量时，应将钢板尺放置于封头直径上(即椭球体的长轴)，取其中心位置作为封头端面的圆心，用游标卡尺或钢板尺进行深度测量，测得的结果为椭球体封头的短轴内径，加上封头的壁厚即得到封头的短轴外径。

本发明基于热挤压三通制造过程中的成型特点导致其个体厚度差别较大，并且每个三通的不同部位(主管的底部、主管侧面、主管与支管连接的肩部以及支管的管径)的壁厚均存在较大的差异。本发明基于实际三通管件的尺寸进行建模，有效地解决了复杂的热挤压成型三通进行计算机模拟预测爆破压力，并建立了复杂壁厚Φ1219mm×1219mm×1219mm和Φ1219mm×1219mm×900mm三通的爆破数据库。

本发明实施例还提供了一种大口径热挤压成型三通的建模装置，如图9所示，包括：

简化单元91，用于简化热挤压成型三通主管和支管的几何尺寸、主管和支管厚度、主管短节和支管短节几何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短节封头和支管短节封头的厚度；

模型初建单元92，用于建立三通倒角尺寸和各断面厚度变化的模型；

三通建模单元93，用于进行热挤压成型三通的建模。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大口径热挤压成型三通的建模方法，其特征在于，包括：

简化热挤压成型三通主管和支管的几何尺寸、主管和支管厚度、主管短节和支管短节几何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短节封头和支管短节封头的厚度；建立三通倒角尺寸和各断面厚度变化的模型；进行热挤压成型三通的建模。

2.根据权利要求1所述的大口径热挤压成型三通的建模方法，其特征在于，所述简化热挤压成型三通主管和支管的几何尺寸、主管和支管厚度、主管短节和支管短节几何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短节封头和支管短节封头的厚度的步骤具体包括：

将主管和支管的外形简化成圆柱形；

将支管端部壁厚简化为均匀壁厚，取所测壁厚的平均值；

将主管端部断面简化为两个非同心圆，内圆圆心位于外圆圆心正下方；将三通横断面处主管断面简化为外轮廓为圆，内轮廓为椭圆；

由现场测得的三通主管各个角度的壁厚及外轮廓画出各个角度断面图，测出各断面内外倒角半径，自动建立变半径倒角；

将主管短节和支管短节简化为圆柱体；

将主管短节封头和支管短节封头简化为半椭球体。

3.根据权利要求2所述的大口径热挤压成型三通的建模方法，其特征在于，所述建立三通倒角尺寸和各断面厚度变化的模型的步骤具体包括：

对热挤压成型三通主管进行0°、30°、45°、60°和90°断面的壁厚实际测量，将各个测点坐标值输入AutoCAD中，并用样条曲线spling连接，得到该角度的断面图，按0°和90°倒角建模，倒角半径由每段圆弧半径的平均值来确定。

4.根据权利要求3所述的大口径热挤压成型三通的建模方法，其特征在于，所述进行热挤压成型三通的建模的步骤具体包括：

进行主管模型的建立；

进行主管短节模型的建立；

进行支管模型的建立；

进行支管短节模型的建立；

进行主管短节封头和支管短节封头模型的建立；

进行三通肩部倒角的建立，采用变半径倒角。

5.根据权利要求4所述的大口径热挤压成型三通的建模方法，其特征在于，所述进行主管短节封头和支管短节封头模型建立的步骤具体包括：

分别以主管短节管端外径和内径，作为主管短节封头的椭球体的外壁直径和内壁直径，画出椭球体的底面；以实际测量得到的主管短节封头的外壁和内壁高度，作为主管短节封头的椭球体的外壁和内壁的短轴长度，建立主管短节封头的椭球体；分别以支管短节管端外径和内径，作为支管短节封头的椭球体的外壁直径和内壁直径，画出椭球体的底面；以实际测量得到的支管短节封头的外壁和内壁高度，作为支管短节封头的椭球体的外壁和内壁的短轴长度，建立支管短节封头的椭球体。

6.一种大口径热挤压成型三通的建模装置，其特征在于，包括：

简化单元，用于简化热挤压成型三通主管和支管的几何尺寸、主管和支管厚度、主管短节和支管短节几何尺寸、肩部倒角的厚度、主管短节封头和支管短节封头的厚度；

模型初建单元，用于建立三通倒角尺寸和各断面厚度变化的模型；

三通建模单元，用于进行热挤压成型三通的建模。