在高压水作用下螺纹，焊缝强度校核

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-19 14:33:17

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给大家介绍下，这是高压水射流喷嘴由前段喷嘴和后段喷嘴腔靠M42×1.5螺纹并氩气保护焊焊接组合
左侧是进水端，压力70MPa，喷孔出口大气压
喷嘴腔材料2Cr13，前段喷嘴材料3Cr13经热处理
焊缝坡口2×60°

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-19 14:42:43

我先说下
假设喷孔堵死，螺纹和焊缝受到拉力应该是按F=P（压力）×S（截面积）=70MPa×3.14×5^2=5495N
如果喷孔不堵死呢？

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-19 14:47:33

关于这个问题为什么拿出来和大家讨论呢！
原因是和该问题属于比较典型螺纹强度，焊缝强度校核
还需要借助流体力学
而且在和同事讨论过程中发生意见分歧
毕竟各位坛友也是同行，不管是错误分析还是正确分析，大家都可以判断一下

:handshake :handshake

393007574 · 发表于 2009-2-20 12:01:15

用流体力学，分段建模，变截面的地方都建立数学模型，弄出公式应该可以求出压损

rongjian · 发表于 2009-2-20 15:52:01

对于这种情况，在计算时最好按堵死的情况进行强度校核。做为一名设计人员，在进行设计时不能光考虑正常工作时的情况，还应该考虑到出现非正常工作时的情况，然后按照最危险的情况来进行计算。就好比我们在进行塔器设计时，你能说因为不会发生地震，就不计算地震力吗？

tigerdak · 发表于 2009-2-20 16:08:32

原帖由 lanyu_flypig 于 2009-2-19 14:42 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
- c7 H: R2 {* e! H- N V5 f我先说下) h- i) U8 k! M/ I
假设喷孔堵死，螺纹和焊缝受到拉力应该是按F=P（压力）×S（截面积）=70MPa×3.14×5^2=5495N
$ l) c/ `5 j6 H2 C如果喷孔不堵死呢？

堵死的情况下面积不能用R5计算，应该是右边这个零件（出水口零件）螺纹处的半径R21，如果螺纹密封不严取R28也可以。喷孔不堵的情况最好用CFD软件算一下压力分布，根据结果再校核强度。

[ 本帖最后由 tigerdak 于 2009-2-20 16:14 编辑 ]

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 16:23:01

原帖由 寂静天花板 于 2009-2-20 12:03 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif$ ^4 u5 R* b% K
既然最终焊死了，那为什么还上螺纹呢？用过盈代替不行吗？

如果采用过盈配合，那么只存在金属与金属的摩擦力，钢与钢静摩擦系数0.15，在70MPa的水力作用下，这点静摩擦力基本可以忽略掉，所以应力基本靠焊缝承受，
这种焊接焊缝系数取0.85母材强度（该焊缝不经过X射线探伤），母材按2Cr13（马氏体不锈钢）来看，经热处理拉伸强度σb=635MPa，经实践证明10个可能有1个喷嘴前段飞出（具体计算还没做），怀疑焊接工艺不过关。

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 16:32:34

原帖由 rongjian 于 2009-2-20 15:52 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif* A. B" n# r% A4 ? z0 A
对于这种情况，在计算时最好按堵死的情况进行强度校核。做为一名设计人员，在进行设计时不能光考虑正常工作时的情况，还应该考虑到出现非正常工作时的情况，然后按照最危险的情况来进行计算。就好比我们在进行塔器设 ...

最开始喷孔是向前，与中心线成45度角，堵死是最危险情况；但是现在喷孔向后与中心线成45度角，堵死的情况就不能说是最危险。
就目前来说想后这种情况，看来应该进行定量分析才能得到什么情况才最危险

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 16:42:11

原帖由 tigerdak 于 2009-2-20 16:08 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif/ S. K% T' z9 A& Z: t! Y

- r; g* d" o3 v8 L7 e' L堵死的情况下面积不能用R5计算，应该是右边这个零件（出水口零件）螺纹处的半径R21，如果螺纹密封不严取R28也可以。喷孔不堵的情况最好用CFD软件算一下压力分布，根据结果再校核强度。

我一直都认为按R5进行计算，根据是前段扩口大腔向各个方向都有压强，按面积差得到的是R5截面积才是真正的S，难道我落入误区了？
喷孔不堵的流场，我用CFD模拟过，在喷孔附近较大的压降，腔体内压力基本维持在70MPa。
我找找做过的CFD模拟，待会把图片发上来

yanshu007 · 发表于 2009-2-20 16:53:27

学习，长见识

chao1002 · 发表于 2009-2-20 16:58:13

谢谢。。。。。。。。。。。。。。

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 17:05:50

下班了！晚上我会把CFD结果发上来
ANSYS和fluent做的

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 20:27:35

ANSYS做的类似上面喷嘴流场分析
明显存在较大的压力梯度

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 20:45:28

另一种喷嘴模型
采用FLUENT流场分析
喷嘴孔存在明显压力梯度

[ 本帖最后由 lanyu_flypig 于 2009-2-20 20:49 编辑 ]

rongjian · 发表于 2009-2-20 22:19:29

原帖由 lanyu_flypig 于 2009-2-20 16:32 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif, Z2 v  d2 b2 L

& h9 a. A, F% G+ I6 Q* t; B/ L( q7 ?  Y& E, {# }9 }
# t* I- g0 ~1 L6 n6 R
最开始喷孔是向前，与中心线成45度角，堵死是最危险情况；但是现在喷孔向后与中心线成45度角，堵死的情况就不能说是最危险。
( f  R- [7 h3 y0 L. r% M; a  a就目前来说想后这种情况，看来应该进行定量分析才能得到什么情况才最危险

角度改变后是不是就不会产生堵死的情况了？如果回答是否定的话堵死还是最危险的情况。

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 22:38:50

堵死喷孔只是一个假设，实际情况喷嘴是不会堵死的
我们是想找到一个最危险环境进行分析
按楼上意思，不管喷嘴是否堵死，储存高压水的腔体只要是封闭环境就会出现螺纹，焊缝应力最大的情况？

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 22:49:36

在实际操作中，我们发现，向前喷嘴会产生后坐力，向后喷嘴会产生牵引力，
这种力是否应该加入我们的理论分析中？
那么焊缝和螺纹承受的应力应该如下图F1+F2沿X方向上的合力

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-20 23:00:52

如果用ANSYS，ANSYS WE，CFX联合起来分析该模型
那将是一个牵涉流固耦合，外流流场，内流流场，多相流，
这是一个设想，真正做起来，我想了下，有相当的难度。
话说回来，18#的理论分析是否合理？

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-22 20:05:48

大家继续帮忙探讨下
上面的分析是否合理！！

rongjian · 发表于 2009-2-22 21:41:13

原帖由 lanyu_flypig 于 2009-2-20 22:49 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
7 t: l6 L+ I' g8 b% J在实际操作中，我们发现，向前喷嘴会产生后坐力，向后喷嘴会产生牵引力，
/ }# J/ d* d) ~1 k2 S/ ~, y7 _这种力是否应该加入我们的理论分析中？/ I. g3 v; k# Q; e8 W% s6 g
那么焊缝和螺纹承受的应力应该如下图F1+F2沿X方向上的合力

F2这个力其实就是由压力所产生的，当考虑了由压力产生的应力时就不用再计算在里面了。
还有的就是根据你的图来分析，应该是由螺纹来承受绝大部分的应力，焊缝所承受的应力其实很小，它的主要作用应该是起密封作用，在进行计算时可以考虑由螺纹来承受所有的应力。

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-22 22:37:17

谢谢rongjian，这么段时间一直相互交流
“当考虑了由压力产生的应力时就不用再计算在里面了”这个不是太明白，能详细说下吗？

rongjian · 发表于 2009-2-23 09:53:19

因为当没有压力时，后段喷嘴对前段喷嘴是不会产生牵引力的；当有压力通入时，压力会在前段喷嘴产生一个向前的力（即F2），根据力学原理，后段喷嘴会对前段喷嘴产生牵引力。所以，由压力产生的应力和由F2产生的应力其实是一回事，不能重复考虑。

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-23 10:18:07

rongjian,你说的非常对，我前面所说的：“焊缝和螺纹承受的应力应该如下图F1+F2沿X方向上的合力”，和你说的是一个意思，焊缝和螺纹处的应力在数值上等于F1+F2沿X方向上的合力，该合力值去和焊缝、螺纹的拉伸强度比较，即可得到安全系数
①问题的关键在于我这么简化计算是否合理，F1这个力是否应该算在这里！感觉F1属于外力，它是对整个喷嘴产生的，不单单只作用在喷嘴前段部分！
②还有焊缝强度=母材强度×0.85（焊缝系数）这是可以的，那螺纹强度呢？两者之和，可以达到>500MPa，那么为什么会出现喷嘴前段脱离飞出的情况？
综上所述，问题的关键就在这两点上。

lanyu_flypig · 发表于 2009-2-23 10:23:10

补充一点，如果抛开F1，那么可以简单看着一个单纯的结构力学问题；如果算F1，那问题就复杂了，必然象上面我说的，“那将是一个牵涉流固耦合，外流流场，内流场，多相流”。
也不知道我是否还在正确的轨道上，还请多多指教。

rongjian · 发表于 2009-2-23 10:59:19

①F1这个力是否应该算在这里！感觉F1属于外力，它是对整个喷嘴产生的，不单单只作用在喷嘴前段部分！
我认为F1应该算，因为F1首先是作用于前段喷嘴，然后再传到后段喷嘴，此时后段喷嘴就对前段喷嘴应生牵引力。但此时由压力产生的力就不能简单地用F=P（压力）×S（截面积）来计算了，而应该考虑液体流动的情况。
②还有焊缝强度=母材强度×0.85（焊缝系数）这是可以的，那螺纹强度呢？两者之和，可以达到>500MPa。
前面我已经说过，螺纹才是承受绝大部分应力的地方。我们假设螺纹的强度足够大，螺纹没有发生变形，此时焊缝是不承受力的。实际情况是螺纹会有少许的变形，此时焊缝也会承受少许的力（但力的大小比较难算）；如果螺纹的强度不够，螺纹失效了才会由焊缝承受大部分的应力，但此时螺纹的强度就不能再考虑在内了。所以你在进行计算时不能用螺纹强度和焊缝强度之和来校核而只能使用螺纹强度来进行校核。

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