为便于工程应用,从保守角度出发,对含裂纹三通复杂的几何结构和实际材料作如下假设。

(1)三通由两个理想圆筒体正交相贯焊制而成,不考虑主、支管的不圆度和加工误差;不考虑相贯线处焊缝对三通强度的加强效应,把整个结构作为薄壁壳体来考虑,且主、支管端部封闭,即考虑内压在轴线方向的作用效果。

(2)理想刚塑性材料假设。即认为三通相贯区发生完全屈服前没有弹性变形,忽略压力载荷下三通管件的椭圆化趋势,考虑到材料的应变硬化效应,取流变应力作为理想材料的屈服应力。

(3)裂纹尺寸假设。考虑到工程中的实际情况,取轴向平面内关于拐角处对称的裂纹形式进行研究,这是最危险的一种情况。裂纹长度用2c表示,裂纹深度为常数a,即简化为矩形裂纹,工程中的其它表面裂纹形式,都可按r6[2]提供的方法转化为矩形裂纹来表征。

有限元分析及结果

1·程序及有限元模型

有限元程序采用大型通用ansys软件,单元类型选用20节点(solid 95)和8节点(solid 185)等参元。考虑到含裂纹结构和内压载荷的对称性,可取二分之一的模型进行研究,为了避免约束造成的边缘效应,在主管上增加一长度大于3do(do指三通主管外径)的直管段。

为减少节点数量,节约计算时间,在主、支管的直管段上采用8节点单元,而在相贯区采用20节点单元,模型共划分单元数2000~3000个。裂纹尖端单元的尺寸随模型的不同而变化。研究表明,裂纹尖端奇异单元的选择与否对结构的极限载荷影响不大,只要选择合适的单元尺寸,便可得到足够精度的极限载荷解。网格划分见图1。有限元模型材料的塑性强化模式按双线性随动强化考虑,相应的机械性能为:弹性模量e=2·07×105mpa,泊松比μ=0·3,屈服强度σy=320mpa。

为得到良好的收敛解,计算过程中采用了小变形假设。非线性计算采用修正的newton-rapson方法,其特点是具有二阶收敛性,对小挠度和小应变非线性问题可以提供更加稳定的分析结果。对于判断非线性迭代近似解可接受程度的收敛准则,笔者采用力和位移双判据,取最大残余力与最大反作用力之比小于0·01,可充分满足计算精度要求