内压作用下轴向斜接管塑性极限载荷分析.pdf

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1、第41卷第5期化工机械657内压作用下轴向斜接管塑性极限载荷分析4姜峰”杜超飞郑运虎(兰州理工大学石油化工学院)摘要采用非线性有限元分析方法，分析只在内压作用下斜接管的塑性极限载荷，并将按AsME法求得的极限载荷与按不同准则求得的极限载荷进行比较。通过模拟计算出斜接管的应力集中系数，将其与AsME锅炉和压力容器规范中给出的估算值进行比较，得出应力集中系数随夹角口的变化规律。关键词斜接管塑性极限载荷AsME法零曲率准则双切线准则两倍弹性斜率准则中图分类号TQ055．8+1文献标识码A文章编号0254巧094(2014)05_0657_05结构的塑性极限载荷是指引起总结构垮塌

2、的载荷，是管件结构设计的重要参数之一。JB4732．1995和ASME规定‘1’“：若已知极限载荷尸¨则许用载荷为P≤2／3JP¨因此，开展对斜接管的塑性极限载荷分析具有重要的工程意义。国外学者研究了在内压和外部复杂载荷作用下斜接管的塑性极限载荷，通过实验发现对于管径比d／D较小的斜接管，内压的存在减小了塑性极限弯矩；对于管径比d／D较大的斜接管，内压的存在增大了塑性极限弯矩¨。。李楠等对斜接管在内压作用下的塑性变形特征和塑性极限载荷进行了试验研究¨1。淡勇等从实验和模拟两方面研究了斜接管的应力分布规律¨。。但由于实验法的成本较高，不适宜用于大量规律性研究。数值模拟因其灵

3、活可变性被广泛用于极限载荷研究中，吕大立等采用有限元法建立斜接管压力容器结构在内压作用下的数值模型，并根据不同准则求得斜接管道失效的极限内压。6。。刘寿梅等采用有限元分析法探究斜接管塑性极限内压的影响因素一1。数值模拟斜接管的极限载荷时，有的以计算机的停机点作为极限载荷的判据旧1，有的以不同的判断准则作为极限载荷的判据H’9’101，但少有人对这两种判据作对比研究。笔者的主要目的是探索斜接管在内压作用下，相贯线附近极限载荷和应力集中系数随接管与简体间的夹角改变的变化规律，并探究以计算机的停机点作为极限载荷的判据和以不同的判断准则作为极限载荷的判据的区别。笔者采用有限元分析

4、法结合弹塑性材料模型、小变形理论得出应力集中系数的数值解，并与理论计算值进行比较，探究有限元数值分析的可行性，为轴向斜接管压力容器和压力管道的设计提供借鉴。1有限元分析模型为便于分析，模型简化为简体和斜接管(图1)。简体直径D=500mm，筒体壁厚丁=6mm，简体长度L=3000mm；支管直径d=300mm，支管壁厚t=6mm。图1斜接管模型结构简图模型中筒体和支管采用相同材料，并假设为理想弹塑性材料。计算模型的机械性能：弹性模量E=206GPa，泊松比肛=0．3，屈服强度盯。=345MPa，强化模量E，=0。模型均采用三维实体单元，在接管与筒体连接处网格细化(图2)。$

5、国家质检公益基金资助项目(201210026，2013l叭52)和甘肃省财政厅高校基本科研业务费(1205zTC067)。¨姜峰，女，1969年7月生，副教授。甘肃省兰州市，730050。658化工机械2014年图2夹角p为55。的斜接管模型网格划分模型整体导人，考虑到结构和荷载的对称性，取模型的二分之一进行分析。笔者采用与文献[11]相似的约束方式：对筒体一端施加固定约束限制其全部自由度，简体另一端约束其径向位移，保留其沿水平方向的的位移自由度，支管端保留全部自由度。为了避免外部约束导致的边缘效应的影响，主管长度取大于2．5~／R丁的直管段，容器内表面分步施加内压载荷(

6、表1)。计算时采用Von—Mises多线性弹塑性加载模式。表1斜接管模型内表面分步施加内压载荷加载时间步123456789101112内压载荷P／MPaO．10O．30O．501．OO1．251．501．752．oo2．252．502．753．OO2数值模拟分析2．1极限载荷的确定2．1．1确定准则为了研究塑性极限载荷，不同的学者提出了诸多准则，常用的3种如下¨2。：a．双切线准则。分别作出载荷一变形曲线的弹性段和塑性段的切线，两切线的交点所对应的载荷即为塑性极限载荷P．。b．两倍弹性斜率准则。极限载荷定义为载荷一位移曲线与两倍弹性斜率线的交点对应的载荷值p。c．零曲率准

7、则。该准则是由章为民教授在切线准则的基础上改进得到的，分别作出载荷一应变(P—s)曲线的弹性部分和塑性流动的切线，极限载荷P。定义为载荷应变曲线与其塑性段切线的分离点处的载荷值。O．oo0．010．020．03O．04O．05O．06O．07应变sa．筒体内表面距锐角尖角lOmm处2．1．2数值模拟笔者采用两种方法分别对夹角口为15、35、55、75。的4种情况进行了极限载荷分析。一种是按照AsME中极限载荷的定义计算斜接管的极限载荷，即以计算机的停机点为极限载荷的判据，通过这种方法求得夹角为15、35、55、75。时的极限载