一种压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法与流程

本发明属于有限元计算领域，具体涉及一种压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法。

背景技术：

1、在石油化工管道等压力容器的有限元分析中，回流型压力容器结构复杂、体积庞大，是典型的特种复杂机械设备，涉及到承压管件、阀门及支架等重要设备能否稳定工作。上述重要部段是需要重点建模分析和计算校核，计算模型无法进行大规模简化；因此，回流型压力容器的整体有限元计算模型网格单元数量庞大，自由度一般可达千万以上规模，对计算资源的要求很高。

2、传统的采用弹簧对膨胀节进行简化的计算方法仅能实现膨胀节吸收/补偿轴向位移的功能，而对于压力平衡型膨胀节，传统方法无法计算其平衡波、工作波以及拉杆等构件的伸长量或压缩量、受力大小及方向等重要特性。由于压力平衡型膨胀节结构复杂、尺寸规模巨大，按照其完整的实际模型进行建模将大大的增加压力容器整体有限元计算模型的网格单元数量，降低计算效率、浪费计算资源和时间。而且，压力平衡型膨胀节的各个构件涉及到复杂的大变形及接触分析，边界约束条件复杂、收敛性很差；因此，压力平衡型膨胀节的刚度强度校核、稳定性校核等，一般由专业的膨胀节设计厂家进行。

3、而在回流型压力容器的有限元计算中，只需要考虑其主要的力学特性对压力容器回路应力、变形以及支座反力的影响；因此，有必要发展一种压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法，降低整体的计算规模、提高计算效率、节省计算资源和时间。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法，应用于回流型压力容器的有限元分析。

2、本发明的压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法，应用于回流型压力容器的有限元计算中的压力平衡型膨胀节的模型简化，其特征在于，简化模型采用包括平衡波、工作波、拉杆、连接法兰在内的构件，模拟压力平衡型膨胀节的力学特性。

3、进一步地，简化模型采用线性拉压弹簧模拟平衡波和工作波在x、y、z三个方向的平移自由度；采用弯曲弹簧和扭转弹簧组合模拟工作波和平衡波在rotx、roty、rotz三个方向的旋转自由度；模拟工作波和平衡波的平移自由度的各线性拉压弹簧采用并联方式连接。

4、进一步地，简化模型采用梁单元模拟拉杆，采用等效刚度方式模拟梁单元截面尺寸参数；简化模型中的拉杆的拉压刚度和弯曲刚度与实际模型一致。

5、进一步地，简化模型采用壳单元模拟压力容器回路上的前、后部段与压力平衡型膨胀节的连接法兰的连接关系，壳单元考虑质量及转动惯量特性，不考虑连接法兰的变形影响。

6、本发明的压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法，采用了较少的网格单元数量，准确地模拟了压力平衡型膨胀节在有限元计算中的力学特性，包括模拟x、y、z三个方向的平移自由度和rotx、roty、rotz三个方向的旋转自由度，并且计算了压力平衡型膨胀节在工作过程中的平衡波、工作波以及拉杆等构件的伸长量或压缩量、受力大小及方向等特性。

7、本发明的压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法简化了压力平衡型膨胀节的实体有限元模型，降低了压力平衡型膨胀节的计算规模，提高了计算效率、节省了计算资源和计算时间。

技术特征：

1.一种压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法，应用于回流型压力容器的有限元计算中的压力平衡型膨胀节的模型简化，其特征在于，简化模型采用包括平衡波、工作波、拉杆、连接法兰在内的构件，模拟压力平衡型膨胀节的力学特性。

2.根据权利要求1所述的压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法，其特征在于，简化模型采用线性拉压弹簧模拟平衡波和工作波在x、y、z三个方向的平移自由度；采用弯曲弹簧和扭转弹簧组合模拟工作波和平衡波在rotx、roty、rotz三个方向的旋转自由度；模拟工作波和平衡波的平移自由度的各线性拉压弹簧采用并联方式连接。

3.根据权利要求1所述的压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法，其特征在于，简化模型采用梁单元模拟拉杆，采用等效刚度方式模拟梁单元截面尺寸参数；简化模型中的拉杆的拉压刚度和弯曲刚度与实际模型一致。

4.根据权利要求1所述的压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法，其特征在于，简化模型采用壳单元模拟压力容器回路上的前、后部段与压力平衡型膨胀节的连接法兰的连接关系，壳单元考虑质量及转动惯量特性，不考虑连接法兰的变形影响。

技术总结
本发明属于有限元计算领域，公开了一种压力平衡型膨胀节在有限元计算中的简化方法。简化模型采用包括平衡波、工作波、拉杆、连接法兰在内的构件，模拟压力平衡型膨胀节的力学特性。通过较少数量优质的网格单元模拟压力平衡型膨胀节在有限元计算中的力学特性，包括模拟X、Y、Z三个方向的平移自由度和Rotx、Roty、Rotz三个方向的旋转自由度，计算了压力平衡型膨胀节在工作过程中的平衡波、工作波以及拉杆等构件的伸长量或压缩量、受力大小及方向等特性。本发明涉及的简化方法有效简化了压力平衡型膨胀节的实体有限元模型，降低了压力平衡型膨胀节的计算规模，提高了计算效率，节省了计算资源和计算时间。

技术研发人员：张诣,洪荣,尹永涛,周洪,范长海,顾海涛,田奥克,张仲志,毛鑫宇
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/6/26