含局部减薄缺陷弯管的极限载荷研究毕业论文(编辑修改稿)

含局部减薄缺陷弯管的极限载荷研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

力。 弯管在平面内弯矩作用下的弹性应力分布已有多人进行了分析。 分析表明在闭合模式平面内弯矩作用下横截面变为长轴在水平方向的椭圆，产生的最大周向拉应力在几何中心线的外表面；在张开模式下，横截面变为长轴在垂直方向的椭圆，产生的最大周向拉应力在几何中心线的内表面。 因此，在弯矩作用下，弯管的力学行为与直管完全不同，不能简单地看作受弯曲的梁来进行分析。 几何和材料 的非线性相互作用不仅会促成弯管的塑性破坏，而且弯管的极限载荷低于直管的极限载荷。 要详细地分析弯管的塑性破坏行为是非常复杂的，目前国际上常采用的方法为弹塑性理论的数值计算和实验方法，不同的研究者得到不同的结果。 Marcal首先给出了无缺陷弯管在平面弯矩作用下的弹塑性。 Calladine根据经典极限分析得出在弯管发生全塑性弯曲时的纯弯矩值。 他采用弹性壳理论和塑性下限定律计算出此弯矩的下限值： 3/22 Mo  ftr，适用于 λ。 Goodall采用极限交互作用屈服准则，得出非常相似 的下限解：第一章 绪论 3 3/22 Mo  ftr，适用于 λ。 Griffiths采用线性程序计算了较低的 λ和 r / R、按 Tresca 屈服准则的极限弯矩，其结果与 Calladine 的结果相差在 3%的范围内。 Griffiths经试验后认为，在弯矩作用下，无裂纹弯管的极限弯矩与 Calladine 的结果较为接近。 Kitching等使用壳的双矩弱作用的极限条件，得到任意弯管几何因子 λ 下的塑性极限弯矩 Mo  Rrtr f / Mo 3/22     Rr (13) 此式不仅与 λ 有关还与相对弯曲半径 R / r有关。 当 r / R =0时，计算结果与Calladine的结果一致，但当相对弯曲半径 R / r比较小时与试验结果相差比较大。 Spence 和 Findlay用能量分析方法及理想塑性极限理论给出平内极限弯矩的近似界限。 指出弯管相对于直管有明显低的极限载荷，尤其在低 λ 条件下。 此载荷随弯管弯曲系数 λ 的增加而增加。 ftr 24Mo {  (14) 王辰等采用有限元分析，将材料简化为理想弹塑性，分析了壁厚和弯曲半径对极限载荷的影响，并得出了考虑直管影响的极限载荷估算式。 弯矩作用下弯管极限载荷计算公式虽已有不少，但不统一，而且多受弯曲系 数 λ 限制。 有必要寻求一个比较通用并且相对精确的极限载荷解。 （ 3）多种载荷作用下弯管极限载荷的研究概况 Shalaby、 Mourad 和 Younan 等人采用有限元方法分析了内压对弯矩作用下弯管 弹塑性行为的影响，内压与弯矩联合作用下的极限载荷。 联合载荷分别考虑了内压与面内闭合弯矩、内压与面内张开弯矩、内压与面外弯矩。 认为在内压与面内开 /闭弯矩作用下，随着内压的增加，极限载荷先增加后降低。 在面外弯矩与内压联合作用也有类似现象，同样条件弯管在同样内压下，面外极限弯矩比面内极限闭合弯矩大，比面内极限张开弯矩小。 Chattopadhyay也研究了内压对弯管极限弯矩的影响，其材料性能采用的是真实应力应变曲线。 并根据有限元分析结果提出了内压与弯矩作用下弯管极限载荷经验公式。 Ayob 等人研究了内压、弯矩和扭矩 相互作用对弯管承载力的影响，得出了与 Shalaby 类似的结论。 南京工业大学本科生毕业论文 4 有缺陷弯管极限载荷的研究概况 段志祥通过变形理论分析了无缺陷弯管在内压和弯矩作用下的应力状况，导出了弯管应力的高次解；运用数值模拟和试验研究，分析了无缺陷和含局部减薄弯管的极限载荷，深入研究了局部减薄的几何对管道极限承载能力的影响，给出了含局部减薄管道极限载荷计算公式。 其中他推导出了内压、弯矩作用下的极限载荷的公式。 1）弯管极限内压 受内压作用的弯管，内拱线出的周向应力最大，按 Tresca屈服准 则以及前面结果，并考虑径向应力极小而忽略不计，取 Tresca等效应力值等于流变应力 f ，得塑性极限压力为： )2/(1 /10 Rr Rrr tp f   (15) 按 VonMises 屈服准则，取 VonMises 等效应力值等于流变应力 f 即： f222 21    ）（ (16) 将前面结果代入上式，可得塑性极限压力为： 1220 rRRrRRrtp f (17) 对于工程中的含椭圆度的弯管，一般椭圆度不会很大，内拱线处的周向应力最大，按 Tresca 屈服准则以及前面椭圆弯管应力分析结果，并考虑径向应力极小而忽略不计，即令fbR bRtpb    22，得塑性极限压力为： )2/(1 /10 Rb Rbb tp f   (18) 令  )2/(1 /11 Rx Rxxxf ，可以写成  )2/(1 )2/(11 Rx Rxxf  由数学知识，函数 f(x)随 x 增大而减小。 换言之，其他条件不变的情况下，第一章 绪论 5 随 b增大，椭圆弯管的极限内压 0p 变小。 当 b=r 时，)2/(1 /10 Rr Rrr tp f  ，该极限内压 0p 等于圆截面弯管的极限内压。 当弯管发生椭圆化，如果长轴 在弯管轴线平面的垂直线方向，则椭圆截面弯管的极限内压比椭圆化前的圆截面弯管的极限内压大；如果长轴在弯管轴线平面内，则椭圆截面弯管的极限载荷比椭圆化前的圆截面弯管的极限内压小。 这里假定椭圆截面弯管与圆截面弯管的其他条件相同。 由前面得到的椭圆截面弯管应力表达式，对于内拱处的环向应力，令 bRbRtbZpZ  22, ；对于轴向应力，令   abbat abZpZ  ,  按 VonMises 屈服准则，令  f   22221可得 222220 )(2ZZZZpf (19) 2）弯管极限弯矩 按照 VonMises 屈服准则，令第四强度理论的当量应力等于流变应力，即  fhI  Mr (110) 可得极限弯矩为：    ff h trrhIM  20 (111) 按照 Tresca 屈服准则，令第三强度理论的当量应力 等于流变应力，即  fIMr   (113) 可得极限弯矩为：    ff trrIM  20 (113) 王岩等通过三维有限元分析，采用比例加载的方法，以停机载荷前达到的最大载荷确定极限载荷，研究了受内压弯矩联合作用时局部减薄缺陷与弯管塑性极限载荷的关系。 认为局部减薄弯管的塑性极限载荷与减薄缺陷的形式有关，减薄的轴向尺寸、环向尺寸及深度对塑性极限载荷有不同的影响。 他提出了塑性极限载荷影响因素的化简和参数选择的方法。 南京工业大学本科生毕业论文 6 1)塑性极限载荷无量纲化处理将所得塑性极限载荷按下式进行无量纲化处理 : LOLLLB ppp (114) LOLLLB MMm  (115) 式中， LBp ， LBm 分别为无量纲的塑性极限内压和极限弯矩 LOp ， LOM 分别为单一载荷作用下无缺陷弯管的塑性极限内压和 弯矩， LLp ， LLM 分别为压弯联合载荷作用下局部减薄弯管的塑性极限内压和弯矩，单位分别是 MPa， kN m。 2)载荷比采用等比例加载方法同时施加内压和弯矩，载荷比 LBLBpmm (116) 3)弯管几何尺寸在国家钢制对焊无缝管件标准中，弯管的直径比 k(D。 ／ Di)集中在 ，弯曲半径与直径比 (r／ Di)则集中在 l到 3范围内。 除此之外，他还研究了弯管的失效模式。 ①当减薄深度较浅时，无论何种载荷比例，何种减薄类型，弯管均为典型的整体屈服失效，局部减薄对弯管的承载能力影响很小。 ②当减薄深度较深时，按所受载荷比的不同分为三种情况。 i． m≤ ，含小面积局部减薄的弯管为整体屈服失效，含面积局部减薄的弯管为局部屈服失效。 ii． m≥ 2，局部减薄面积及轴向局部减薄尺寸较小的弯管为整体屈服失效，局部减薄面积较大及环向局部减薄尺寸 较大的弯管为局部屈服失效。 iii． m2，弯管的失效模式较为复杂，很难简单描述，其特点为：含小面积局部减薄时弯管为整体屈服失效；当弯矩所占比重较大时大的环向局部减薄引起局部屈服失效。 张藜通过有限元计算和理论分析，研究了在内压和弯矩作用下局部减薄对弯管极限承载能力的影响，以及内压作用下多局部减薄的相互干涉效应和弯矩作用下直管对弯管极限载荷的加强作用，并进行了部分实验验证。 但对含局部减薄弯管在组合载荷作用下的极限载荷的研究甚少，同时对含局第一章 绪论 7 部减薄缺陷的弯管安全评定的规范尚未形成，因此很有必要在这 一方面开展深入的研究。 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） : 本文的研究内容 （ 1）确定含局部减薄弯管的有限元计算模型，并采用 ABAQUS 有限元软件的参数化设计语言，编制出适合本课题需要的含局部减薄弯管塑性极限载荷分析的有限元前处理及计算程序，可以在较大范围内改变参数设置，包括局部减薄区的轴向长度、宽度、深度。 （ 2）研究单一内压及单一弯矩、单一扭矩作用时的含局部减薄弯管。 计算一定量减薄尺寸、减薄区位置不同的弯管，进一步研究极限载荷与局部减薄的关系。 （ 3）提出含减薄缺陷的 弯管的安全评定的工程方法。 本文的研究方法与技术路线 （ 1）采用结构分析软件 ABAQUS进行参数化分析计算，得到不同条件下（无缺陷与有缺陷；内压、弯矩和扭矩作用下）不同参数（缺陷相对轴向长度 a,， 缺陷相对环向长度 b， 缺陷相对深度 c）弯管应力状态与极限载荷。 （ 2） 运用正交试验的方法来分析弯管缺陷特征、缺陷位置对弯管极限载荷的影响并找出影响因素的主次关系。 （ 3）根据有限元计算结果和正交试验结果，为含局部减薄缺陷弯管的安全性提供判断依据。 本章 小结 局部减薄管道极限载荷的确定，对于评价管道极 限承载能力是十分重要的。 国内外对极限载荷的理论求解研究进行得较早，但主要集中在对含裂纹的管道极限载荷的求解，而对局部减薄管道的极限载荷进行得较少，另外国内外对管道局部减薄的研究主要集中在受内压载荷的管道和容器，对受弯矩、扭矩作用的局部减薄管道研究的很少，而在管道中，对含局部减薄弯管的极限载荷研究的更少。 在实际中，弯管除了受内压作用外，还承受很大的弯矩载荷和扭矩载荷，有时弯矩和扭矩载荷甚至起主要作用，而内压的作用往往可以忽略，这是管道与容器最大的区别，所以有必要对局部减薄弯管的极限弯矩、扭矩进行分析。 南京工业大学本科生毕业论文 8 第 二章 极限载荷的分析与数据处理方法 极限载荷的分析方法 极限分析概念 对于由理想弹塑性材料制成的构件或结构，由于外载荷的逐渐增加，结构会由弹性状态进入塑性状态，此时即使载荷不再增加，塑性变形仍可继续增长，这 种状态称为极限状态，这种状态所对应的载荷就称为极限载荷。 由于实际材料进 入塑性变形阶段后，其应力 — 应变关系是非线性的，因此计算时往往采用近似的 方法，即只计算结构的极限载荷而不考虑其变形过程，这种方法叫极限分析方法。 与弹性分析相比，极限分析更能反映结构的性能，能进一步发挥材料的潜力。 极限载荷的分析方法 分析结构的极限状态，计算与之相对应的极限载荷，可以为确定结构的安全 度提供必要的依据，通常极限载荷的分析可以采用以下四类方法： (1) 应。