内压均匀施加于模型内壁,为模拟主、支管端部封闭的情况,把轴向压力载荷折算为作用在主、支管端面上的均布拉力。对于模型的约束条件,可以根据对称性,在纵向平面(xoz平面)内的对称面上约束其法线方向的位移,而裂纹面上则没有法向约束。此外,在主管的加长直管一端部固定其径向位移和轴向(x向)位移(见图2)。对内表面裂纹,分析中没有考虑压力作用在裂纹的表面。

3·有限元解的试验验证

为验证有限元模型及方法的合理性,取文献[3]提供的上海成套无缺陷等径焊制三通试验结果进行验证。模型材料为st45·8 (德国标准din17175)无缝钢管,弹性模量e=2·07×105mpa,流变应力取294mpa。采用手工氩弧焊接,为消除焊缝的加强作用,相贯线处的焊缝依样板磨至与支、主管表面平齐。考虑到边缘应力对三通强度的影响,在主、支管的端部分别焊接长475mm的直管段。试验介质为水,试验过程中用手泵缓慢分步加压至爆破,同时记录进液的体积增量和压力值,得到相应的压力-体积增量关系曲线。在压力与进液量关系曲线上采用两倍弹性斜率法得到三通的整体屈服压力。表1为直径为207mm的三通的试验值与采用小变形三维有限元方法得到的数值解,二者误差不到10%,可见有限元分析方法能得到与实验模型较一致的结果。

4·极限载荷

采用数值方法确定结构的极限载荷,一般可由载荷-变形曲线上的相应点得到。对于内压来说,结构的体积增量是最理想的变形参数,但体积增量在数值计算中很难得到(尤其是含缺陷结构)。研究表明,下面4个参量均随内压的增加而明显改变:肩部内拐角处的等效塑性应变、腹部的径向位移、支管自由端的轴向位移和裂纹嘴张开位移。对于含裂纹三通,考虑到整体屈服和裂纹前沿韧带局部垮塌失效两种模式,采用裂纹嘴张开位移来确定结构的极限承载能力最为合理。

5·极限状态下的变形特征

图3为含有穿透裂纹三通极限状态下的变形。

参 考 文 献

1 张钟旭、红外、微波ndt新技术的应用与发展·实用测试技术, 1996, 22 (4): 142

2 陈积懋·无损检测新技术的进展·无损检测, 1994, 16(8): 222~223