用Labview實現(xiàn)彎管應(yīng)力變化實時監(jiān)測

1、彎管應(yīng)力變化在線監(jiān)測的實驗?zāi)M分析段麗 （華北電力大學(xué)（北京）摘要 本文針對普通鋁合金彎管在受內(nèi)壓作用下的應(yīng)力變化進行在線監(jiān)測的實驗?zāi)M，運用虛擬儀器技 術(shù)，進行Labview編程，模擬在線監(jiān)測數(shù)據(jù)在計算機上的實時處理和分析。關(guān)鍵詞在線監(jiān)測虛擬儀器LabviewANSYS有限元分析應(yīng)力 應(yīng)變1 前言在火力發(fā)電廠中，管道是壓力容器構(gòu)件的重要組成部分。由于目前裝機容量不斷增大，機組在運行時， 蒸汽管道（尤其彎頭部分是薄弱環(huán)節(jié)）受到高溫高壓蒸汽的作用，一旦出現(xiàn)爆裂，將嚴(yán)重影響機組及人員 的安全，因此有必要對其進行變形和應(yīng)力變化進行在線監(jiān)測。所以設(shè)計一個管道變形和應(yīng)力監(jiān)測實驗臺， 不僅能對電廠高溫金屬

2、管道在線監(jiān)測裝置進行實驗開發(fā)，而且也能對其系統(tǒng)可靠性進行校驗。了解彎管的 變形和應(yīng)力分布及變化，便可以對其進行安全性評估，提高管道運行的可靠性，并且對于管道壽命的研究 也很有幫助。本文針對普通鋁合金彎管在受內(nèi)壓作用下的應(yīng)力變化進行在線監(jiān)測的實驗?zāi)M，運用虛擬儀器技術(shù)， 進行Labview編程，模擬在線監(jiān)測數(shù)據(jù)在計算機上的實時處理和分析。2建立模型本文選取規(guī)格為42mmX3mm，彎曲半徑為0.1m，彎曲角度為90的鋁合金彎管，兩端直管段分別為 0.4m和0.2m，內(nèi)壓載荷為3bar。用ANSYS有限元方法進行輔助分析。3實驗?zāi)M的理論基礎(chǔ)3.1直管段實測應(yīng)力與理論值比較工程上通常將外徑與內(nèi)徑之比

3、（K=D2/D1.11.2的容器、管子或管道等統(tǒng)稱為“厚壁容器”。因 此本文用厚壁圓筒應(yīng)力方程式（拉梅方程）來驗證有限元分析中直管段的應(yīng)力分布，從而得出正確的彎管 段應(yīng)力分布變化規(guī)律。只有內(nèi)壓P1作用時，圓筒外壁：徑向應(yīng)力：b = 0 環(huán)向應(yīng)力：。0 =尸，2 軸向應(yīng)力：b = p r01 K 2 -1z 1 K 2 -1由于三種應(yīng)力中，環(huán)向應(yīng)力b0值最大，因此主要考察。的實測值與理論值的偏差。3.2 ANSYS有限元輔助分析運用ANSYS有限元方法對所建立的模型進行預(yù)分析，分別與理論計算值和實驗測得值進行比較，導(dǎo) 入Labview程序中，顯示分析彎管變形結(jié)果，使實驗分析結(jié)果內(nèi)容更加豐富。3.

4、3實驗數(shù)據(jù)的處理分析實驗中能夠測得的是彎管外壁各個部位的應(yīng)變值，要分析彎管受力情況應(yīng)主要分析其應(yīng)力分布，根據(jù) 平面應(yīng)變理論，導(dǎo)出應(yīng)力公式：在外壁上無外壓作用，故b r =0，所以為二向應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力一一應(yīng)變關(guān)系式如下：（其中8是應(yīng)變 量）。0=商2（8o+M z） 推導(dǎo)為一 E。=（8 +吃）z 1 -日 2 z 。通過引入上面推導(dǎo)公式，使應(yīng)力的分布跟隨在線監(jiān)測的應(yīng)變值進行實時變化，確定最大應(yīng)力部位，并 監(jiān)測其變化情況。在ANSYS有限元分析中，只能體現(xiàn)某時刻彎管應(yīng)力的靜態(tài)分布和某一點處應(yīng)力的動態(tài) 變化，運用Labview編程將兩者結(jié)合，動態(tài)顯示彎管某路徑應(yīng)力分布的動態(tài)變化，達到上述監(jiān)測目的

5、，且 效果直觀。4實驗?zāi)M的Labview程序?qū)崿F(xiàn)此程序?qū)崿F(xiàn)的功能如下：4.1直管段應(yīng)力的理論校核（如下圖）長直管殷長度長直管段外壁環(huán)向應(yīng)力Pa180000018000001300000壓力短偏差理論值3000000.01649實刨佰長偏差彎管變形圖顯示1700000160000015000001-400000130000012000001100000170000016000001500000140000012000001100000停1000000此程序模塊以數(shù)組形式將實測數(shù)據(jù)提取后，依次導(dǎo)入Graph曲線圖中，分別顯示長直管段和短直管段 應(yīng)力的分布，同時調(diào)用子程序，將計算的理論值也輸入Gr

6、aph曲線圖，與實測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的曲線進行比較， 并計算出實測點應(yīng)力平均值與理論值的偏差，顯示在“短偏差”（短直管段實測與理論的偏差值）和“長 偏差”（長直管段實測與理論的偏差值）兩個顯示框中。程序設(shè)計框圖如下：4.2彎管段應(yīng)力分布及變化此程序模塊以數(shù)組形式將實測數(shù)據(jù)提取后顯示在數(shù)組表格中，并通過兩層嵌套的FOR循環(huán)將數(shù)據(jù)依 次導(dǎo)入Graph曲線圖中，顯示彎管段應(yīng)力分布隨加載內(nèi)壓的變化而變化；此模塊運用“選擇”控制按鈕在 環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力之間切換，同時，數(shù)組顯示框中的應(yīng)變數(shù)據(jù)和曲線圖中的曲線也跟隨切換；當(dāng)應(yīng)力數(shù)值超過設(shè)定的強度極限值時，指示燈閃爍，曲線亮紅色。（如下圖）直管段理論校核彎管段應(yīng)力變

7、化實驗數(shù)據(jù)00.000000000.000016960.000033910.000076310.000084790.000084790.000084800.000000000.000000000.000021650.000025080.000043310.000050170.000097440.000112880.000108270.000125420.000108270.000125420.000108280.000125430.00.000000000.000000000.0000000040.0 50.0 60.0 70,0 80.0 90.角度0.000000000.000026760

8、.000053530.000120440.000133820.000133830.000133830.000027150.000054300.000122180.000135750.000135750.000135760.000026450.000052900.000119020.000132240.000132240.000132250.000024520.000049040.000110330.000122590.000122590.00012259超限0.000000000.000021000.000042010.000094510.000105010.000105010.0001050

9、10.000000000.000016380.000032760.000073710.000081900.000081900.00008190此模塊的程序設(shè)計包括三個部分：內(nèi)壓加載曲線的導(dǎo)入選擇并提取不同的測量數(shù)據(jù)運用Graph曲線圖顯示彎管段應(yīng)力分布隨時間的變化三個部分運用SEQUENCE結(jié)構(gòu)順次執(zhí)行，其中第三部分為該程序的關(guān)鍵部分，調(diào)用“應(yīng)變一應(yīng)力轉(zhuǎn)換” 子程序?qū)崪y的應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為待分析的應(yīng)力值，運用FOR循環(huán)嵌套、本地變量、屬性節(jié)點等技巧將數(shù) 據(jù)導(dǎo)入到Graph曲線圖中，實現(xiàn)了彎管段應(yīng)力分布的動態(tài)變化。結(jié)構(gòu)如圖：5實驗數(shù)據(jù)分析5.1理論值與實測值的比較從程序面板中的曲線圖中可以看出實測值與理論值是否一致并得出兩者之間的偏差，能夠反映出 實驗裝置的可靠性。5.2彎管段環(huán)向、軸向應(yīng)力分布的動態(tài)變化分析在彎管彎頭45附近應(yīng)力最大，彎頭弧線上中間大、兩頭小，與理論分析一致。應(yīng)力分布的變化過程與內(nèi)壓載荷的變化一致，符合理論分析。6今后待做的工作完善實驗中在線監(jiān)測的各項功能，以達到開發(fā)出應(yīng)用于現(xiàn)場實際的在線監(jiān)測分析的實用軟件。5參考文獻安錦平內(nèi)壓作用下非圓截面彎頭的應(yīng)力分析電力建設(shè)2001，9徐方成，蔣家羚，林興華，李軍，蘇玉忠 內(nèi)壓作用下彎管應(yīng)力的實驗研究 廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué) 版）2000，