底部減薄三通管件塑性極限內(nèi)壓的有限元分析

楊嶺

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

底部減薄三通管件塑性極限內(nèi)壓的有限元分析

楊嶺*

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

采用有限元分析研究了單一內(nèi)壓作用時(shí)局部減薄缺陷對(duì)三通管塑性極限內(nèi)壓的影響。總結(jié)出含底部缺陷三通管的塑性極限載荷隨缺陷尺寸影響的變化規(guī)律。

三通管缺陷極限載荷有限元分析

三通管（簡(jiǎn)稱三通）在油氣管道中使用非常廣泛，它的承載能力和質(zhì)量安全是重點(diǎn)研究的內(nèi)容。對(duì)含缺陷的三通剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)是保證整個(gè)管道網(wǎng)安全工作的關(guān)鍵之一。管道中的缺陷可能導(dǎo)致管道不安全或破壞，因此運(yùn)用有限元分析判定缺陷對(duì)三通管安全的影響是一項(xiàng)必要的工作。

本文主要工作如下：（1）確定含底部缺陷三通的有限元計(jì)算模型及各相關(guān)選項(xiàng)，用ANSYS有限元軟件編制含底部缺陷三通的塑性極限載荷分析的有限元前處理及計(jì)算程序，該程序可以根據(jù)需要改變參數(shù)設(shè)置，主要包括缺陷的長(zhǎng)度l、寬度b、深度c三個(gè)參數(shù)。（2）運(yùn)用ANSYS軟件，采用有限元數(shù)值分析對(duì)選定的60組含不同尺寸缺陷的三通模型進(jìn)行計(jì)算，得出模型的應(yīng)變圖形以及繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，計(jì)算出所有的極限載荷并繪制成表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。（3）通過(guò)極限載荷與缺陷尺寸關(guān)系的分析，總結(jié)缺陷尺寸對(duì)極限載荷的影響規(guī)律。

1 有限元模型的建立

（1）單元類型。本文所考慮的是幾何非線性的塑性問(wèn)題，且所建三通模型含有曲邊邊界，故采用SOLID 95單元。

（2）選擇材料?？紤]材料的非線性，采用真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變表征材料性質(zhì)。假設(shè)三通管由理想彈塑性材料制成，且塑性強(qiáng)化模式為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化；材料的應(yīng)力應(yīng)變特性如圖1所示，相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)為彈性模量E=2.1×105MPa，屈服極限σs=320 MPa，泊松比μ=0.3，強(qiáng)化模量ET=0。

（3）假定缺陷位置及尺寸。選擇輪廓呈矩形、底部等深的缺陷形狀。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，選擇位于主管道正下方的缺陷進(jìn)行研究。假定影響三通的缺陷參數(shù)有3個(gè)，即缺陷的長(zhǎng)度l、寬度b、深度c。

圖1 材料應(yīng)力應(yīng)變特性

2 選擇計(jì)算模型

由于過(guò)少的網(wǎng)格劃分會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度下降，過(guò)多的網(wǎng)格劃分會(huì)減慢計(jì)算速度，因此結(jié)合有關(guān)資料和前人的研究經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)多次試算，最終確定劃分網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 含底部缺陷三通的局部網(wǎng)格劃分圖

3 確定載荷及約束條件

根據(jù)載荷及約束條件的特點(diǎn)，內(nèi)壓載荷均勻施加于模型的內(nèi)表面，即三通主管的塑性極限內(nèi)壓載荷為Ptd。為了模擬支、主管端封閉的條件，在支、主管端面施加由內(nèi)壓形成的等效均布拉應(yīng)力P1、P2。Ptd以及P1、P2可由公式（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]）計(jì)算出來(lái)。

內(nèi)壓載荷下有限元模型的約束方式不容易確定，本文約束條件的確定采用的方法是：分別在支、主管端施加徑向約束，同時(shí)在載荷和三通的幾何對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。

4 有限元分析中極限載荷的確定方法

本文參考有關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn),選擇使用1/2倍斜率準(zhǔn)則。ASME鍋爐壓力容器規(guī)范的1/2倍彈性斜率準(zhǔn)則如圖3所示。過(guò)載荷-變形曲線的原點(diǎn)作一載荷線，使該線與橫坐標(biāo)軸的夾角φ和載荷-變形的彈性段與橫坐標(biāo)軸的夾角θ之間的關(guān)系為tg φ=tg(θ/2)，則該線與載荷-變形曲線交點(diǎn)處的載荷為試驗(yàn)溫度下的試驗(yàn)極限載荷。

圖3 ASME 1/2斜率法

5 有限元分析和計(jì)算

使用ANSYS軟件編制前處理程序，對(duì)含不同尺寸缺陷的三通進(jìn)行分析計(jì)算，然后將所得到的含底部缺陷三通塑性極限內(nèi)壓Ptd的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)成數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)如表1所示。

6 結(jié)論

通過(guò)分析含底部缺陷三通管件的塑性極限內(nèi)壓的計(jì)算結(jié)果，可以將缺陷尺寸對(duì)塑性極限載荷的影響歸納為以下三點(diǎn)規(guī)律。

（1）在其它參數(shù)不變的情況下，底部缺陷長(zhǎng)度l對(duì)塑性極限載荷Ptd的影響：當(dāng)?shù)撞咳毕輰挾萣和底部缺陷深度c一定且取值都較小時(shí)，塑性極限內(nèi)壓Ptd隨l的增加略微減小，但總體變化并不明顯，即在不同的b、c下，Ptd與底部缺陷長(zhǎng)度l的關(guān)系曲線近似為水平線。當(dāng)缺陷寬度b和缺陷深度c較大時(shí)，Ptd隨l的增加明顯減小。底部缺陷長(zhǎng)度l與塑性極限內(nèi)壓Ptd的關(guān)系如圖4所示。

圖4 底部缺陷長(zhǎng)度l對(duì)塑性極限內(nèi)壓Ptd的影響

（2）在其它參數(shù)不變的情況下，底部缺陷深度c對(duì)塑性極限載荷Ptd的影響：塑性極限內(nèi)壓Ptd隨缺陷深度c的增加而降低，當(dāng)c較小時(shí)，塑性極限內(nèi)壓Ptd的變化不明顯。當(dāng)深度c很大時(shí)，大面積的缺陷比小面積的缺陷塑性極限內(nèi)壓小很多；當(dāng)深度c很小時(shí)，兩者相差不大。底部缺陷深度c與塑性極限內(nèi)壓的關(guān)系如圖5所示。

圖5 底部缺陷深度c對(duì)塑性極限內(nèi)壓Ptd的影響

（3）在其它參數(shù)不變的情況下，底部缺陷寬度b對(duì)塑性極限載荷Ptd的影響：塑性極限內(nèi)壓Ptd隨底部缺陷寬度b的增加而減小，整條曲線隨b、c的增加而下移，當(dāng)b、c都較大時(shí)，c對(duì)Ptd的影響比b對(duì)Ptd的影響大；當(dāng)b、c均較小時(shí)，b、c對(duì)Ptd的影響程度差不多。底部缺陷寬度b與塑性極限內(nèi)壓Ptd的關(guān)系如圖6所示。

表1 含底部缺陷三通塑性極限內(nèi)壓的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)

圖6 底部缺陷寬度b對(duì)塑性極限內(nèi)壓Ptd的影響

本文的研究對(duì)于工程油氣管道中三通管件的實(shí)際問(wèn)題研究有一定的指導(dǎo)作用。但是本文研究的三通是理想狀態(tài)下的實(shí)體模型，與現(xiàn)實(shí)的情況有一定的差別。因此對(duì)于理想材料研究得到的結(jié)論是否符合真實(shí)的材料，還需要通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

[1] S S吉爾.壓力容器及其部件的應(yīng)力分析[M].北京：原子能出版社，1975：128-129.

[2] 劉彩霞.焊制三通管件塑性極限載荷的有限元分析[D].北京:北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,2003.

[3] 軒福貞，李培寧.工業(yè)壓力管道三通塑性極限載荷工程分析方法[D].上海：華東理工大學(xué)，2002.

Finite Element Analysis of Plastic Limit Internal Pressure for Tee Pipe Joints with Bottom Thinning

Yang Ling

Based on the finite element analysis,the effect of bottom thinning defects to plastic limit internal pressure of tee pipe joints with single internal pressure was analyzed.And the change rule of plastic limit load for tee pipe joints containing bottom thinning defects with flaw sizes was obtained.

Tee pipe joints;Defect;Limit load;Finite element analysis

TQ 050.3

*楊嶺，男，1988年生，碩士研究生。武漢市，430073。

2011-11-22）