基于UG礦用排水管壁強(qiáng)度校核

朱紅波 王高建

【摘 要】本文嘗試運(yùn)用UG軟件的高級校仿真功能來校核礦用排水管壁強(qiáng)度，通過對仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果的對比，驗(yàn)證了運(yùn)用UG校核礦用排水管壁強(qiáng)度的可行性。

【關(guān)鍵詞】UG;高級仿真;強(qiáng)度校核

0 引言

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中，各種來源的水不斷地涌入礦井，涌入礦井的水統(tǒng)稱為礦水。礦水主要來源于地下水和地表水，水力采煤和水沙充填的礦井，還包括這些廢水。礦井的涌水量與地質(zhì)條件、氣候及開采方法等因素有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開采一噸煤，要排出2～7噸礦水，有的礦井甚至多達(dá)30～40噸。所以及時排除礦水，保證煤礦安全正常生產(chǎn)十分必要。由于容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，限制了吸水高度一般限制在6m之下，所以排水管長度就會很大。如果排水管壁厚度選擇過小，水作用于管壁上的壓力就有可能壓破管壁。所以必須對管壁厚度進(jìn)行強(qiáng)度校核。下面從理論計(jì)算和UG仿真兩個方案進(jìn)行校核。

原始條件：某礦年產(chǎn)量90萬t，豎井單水平開采，井深185m，礦井正常涌水量為100m3/h，最大涌水量為150m3/h，正常涌水和最大涌水期的天數(shù)分別為300d和65d，礦水呈中性，密度為1020kg/m3。

1 理論計(jì)算方案過程

1.1 排水管徑的計(jì)算

取排水管的經(jīng)濟(jì)流速vp′=1.8m/s，則

查熱軋無縫鋼管外徑壁厚表，選取φ194×5的無縫鋼管為排水管。

1.2 排水管壁的驗(yàn)算

×+0.001=0.00328=3.28mm

因所選管子壁厚為5m，大于要求的3.28mm，故滿足要求。

式中：δ——管壁厚度，m;

d——所選管子標(biāo)準(zhǔn)管徑，m;

p——水管內(nèi)部工作壓力。作為估算p=1.1×104HpN/m2;

Hp——排水揚(yáng)程，m;

R——管材許用應(yīng)力，無縫鋼管R=80×106N/m2;

C——附加厚度（考慮運(yùn)輸和其他原因形成的表面損傷）。鑄鐵管c=0.007～0.009m;焊接鋼管c=0.002m;無縫鋼管c=0.001～0.002m。

2 基于UG的求解方案過程

2.1 建模過程

首先，進(jìn)入U(xiǎn)G建模模塊，點(diǎn)擊插入命令下在任務(wù)環(huán)境里繪制草圖選項(xiàng)，按所選管徑和壁厚數(shù)據(jù)繪制兩個同心圓，直徑分別為194mm和184mm，然后點(diǎn)擊完成草圖命令，利用拉伸命令把兩個同心圓拉伸100mm創(chuàng)建圓筒形實(shí)體管壁。

2.2 對模型施加邊界條件過程

首先，進(jìn)入高級仿真，選擇新建FEM和仿真，在彈出的對話框里面選擇NX NASTIAN求解器，分析類型為結(jié)構(gòu)分析。然后新建名稱為Solution1的求解方案，求解方案類型為SOL 101 Linear-Global Constraints，并在單元迭代器前打勾選擇。在FEM環(huán)境下，指派管道材料為Steel即為45鋼，密度為7.829×103kg/m3，楊氏模量為206940000Pa，泊松比為0.288。然后劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為四面體十節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為5mm，單元數(shù)量為15961，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為31493。最后進(jìn)入sim環(huán)境下，在管道兩端施加固定約束，在管道內(nèi)表面施加2.035MP的流體靜壓力。施加邊界條件結(jié)果如圖1所示。

圖1 ? ? ?圖2

2.3 求解和結(jié)果分析過程

首先，在求解之前進(jìn)行單元格檢查，檢查結(jié)果錯誤都為零，說明網(wǎng)格劃分合理。然后，點(diǎn)擊求解命令進(jìn)行求解，同時在求解監(jiān)視器里面可以看到求解過程沒有錯誤，而且迭代求解收斂。最后，求解完成后，雙擊結(jié)果命令，進(jìn)入后處理導(dǎo)航器，然后單擊單元應(yīng)力標(biāo)簽，選擇Von Mises，顯示單元應(yīng)力云圖如圖2所示。從圖中可以看到最大應(yīng)力為51.93MP，而熱軋無縫鋼管許用應(yīng)力80MP，很明顯選用5mm壁厚的熱軋無縫鋼管滿足強(qiáng)度要求。

3 兩種求解方案結(jié)果的比較分析

不論是第一種方案的按管徑進(jìn)行校核還是第二種按應(yīng)力進(jìn)行校核，兩種方案的結(jié)果都有一定量的安全儲備量，都能夠驗(yàn)證所選壁厚的鋼管能滿足強(qiáng)度的需要，兩個校核結(jié)果相符。鑒于以上兩種求解方案的結(jié)果的比較分析，基于ug礦用排水管壁強(qiáng)度校核具有可行性，可以在一定程度上簡化排水管的選型設(shè)計(jì)計(jì)算。

【參考文獻(xiàn)】

[1]毋虎成，聶靜.礦山運(yùn)輸及固定機(jī)械選型設(shè)計(jì)指導(dǎo)（下）[M].北京出版社，2008.

[2]胡仁喜，康士廷.UGNX8.5動力學(xué)與有限元分析從入門到精通[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[責(zé)任編輯：湯靜]