文档介绍：2006 飞箭用户大会论文集
基于 FEPG 的斜接弯管的分析设计计算
程伟1 赵慧磊2

摘要:应用有限元分析软件对两端固定斜接弯管在三种不同载荷状况下的应力进行计算和分析,
用 MTI 格式完成了参数化有限元模型的网格剖分和边界条件输入,用 VC 编制了几何、载荷、材料等各参
数的输入界面以及界面与计算程序模块和物理模型模块的接口程序。将 FEPG 的计算结果与 ANSYS 的计
算结果进行了比较,可供工程配管设计者参考。
关键字:有限元法;斜接弯管;应力分析;应力分布
1. 前言
弯管是管道系统中的一种重要构件,在石化工业的大管径管道中,弯头采用焊制斜接型
式很普遍。焊制斜接弯管(俗称虾米腰)是由数个扇形节组成的焊制弯管,与光滑管相似,
但在管段沿斜接面连接处,由于结构不连续会导致较大的局部应力。鉴于目前对这种斜接管
道的应力计算尚无精确解,本文通过有限元分析软件 FEPG 分别对温度、内压和温度与内压
共同作用下的弯管进行了应力计算与分析,而且用 VC 编制了几何、载荷、材料等各参数的
输入界面以及界面与计算程序文件和物理模型文件的接口程序。与传统的有限元分析软件
ANSYS 的计算结果进行了比较,第三强度理论等效应力的最大相对误差在 8%以内。可作
为工程安全评定以及工程配管设计的参考。
2. FEPG 基本思想
FEPG 的开发思想是采用元件化的程序设计方法和人工智能技术,根据有限元方法统一
的数学原理及其内在规律,以类似于数学公式推理的方式由微分方程表达式和算法表达式自
动产生有限元源程序。它突破了目前有限元程序只适用于特定领域和特定问题的限制,有限
元编程者只需输入有限元方法所需的各种表达式和公式,即可自动产生所需的全部有限元程
序,免去了大量繁琐的编程劳动。
3. 斜接弯管分析设计程序开发
斜接弯管简图
斜接弯管结构见图 1,图中标出的是建立弯管有
限元模型必需的几何参数。

图 1 斜接弯管结构示意图
有限元参数化模型建立及其 MTI
利用 FEPG 系统配备的前处理程序自动生成器(多重表格输入法 MTI)建立弯管的参数
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化三维物理模型,通过写 MTI 格式的程序实现有限元网格剖分和边界条件输入。
有限元模型的几何与网格划分参数的输入界面见图 2,材料参数的输入界面见图 3,边
界条件的输入界面见图 4

图 2 斜接弯管几何与和网格划分参数输入界面

图 3 材料参数输入界面图 4 边界条件输入界面
单元子程序、算法程序的生成及求解器的确定
一个完整的有限元程序系统,通常由单元子程序和算法程序组成,前者取决于模型的控
制方程(组),由控制方程编写单元子程序是有限元程序系统的主要工作量。利用 FEPG 编
程,不必逐句编写单元子程序程序,只要按照要求填写一个 GES 文件(其内容是编写有限
元程序的必要信息),然后运行这个文件就可生成 FORTRAN 程序,完成单元子程序的编程
工作。
本文所分析问题的控制方程有:
∂⎛∂T ⎞∂⎛∂T ⎞∂⎛∂T