内压弯管在面内循环弯曲载荷作用下棘轮效应的研究

　　1 前言

　　压力管道广泛应用于核能、电力、石油及化工工业。除了压力载荷外,由于热膨胀、启闭管路阀门造成的冲击、地震等原因,还会使管件承受循环弯曲载 荷。结构在这种载荷作用下往往会发生塑性应变累积即棘轮效应。进而会发生塑性垮塌、棘轮效应与疲劳交互作用并导致结构失效[1,2]。因此压力管道设计 时,特别是核工业压力管道,应考察管道的棘轮效应及其与疲劳的交互作用。此外,棘轮应变会改变管系的阻尼,大大地影响管系的动力响应[3]。因此,深入并 定量地研究棘轮效应,对于确定棘轮边界、疲劳损伤及管系的阻尼参数都是非常必要的。

　　很多研究机构如美国核管会电力研究院(EPRI)、英国利物浦大学以及法国原子能源与电力委员会等纷纷对直管、弯管以及管系组织了有关棘轮效应 的理论与试验研究。天津大学CARE(The ComputerA-ided Reliability Engineering)实验室也对一系列管件进行了棘轮效应及棘轮边界的研究[4~6]。一般而言,内压弯管的棘轮效应的实验研究利用惯性载荷在振动台 上进行[7,8],并发现在弯管的顶线、内缘线甚至外缘线存在棘轮应变,对于面内循环弯曲载荷,最大棘轮应变发生在顶线位置。此外,很多研究者 [9~11]利用EPP(Elastic Perfect Plasticity)模型与BKH(BilinearKinematic Hardening)模型或BKH与各向同性强化组合模型对循环弯曲载荷作用下的内压弯管进行了弹塑性有限元分析。文中对20#钢弯管的棘轮效应,利用多 轴液压试验机进行了试验研究,并对结构进行了弹塑性有限元分析,分析中通过用户编程使用了Chen- Jiao-Kim随动强化模型[12]。同时根据有限元计算结果利用日本C-TDF(The Committee ofThree Dimensional Finite ElementStress Evaluation)提出的等效塑性应变增量控制法[13]确定了内压弯管在面内循环弯矩作用下的棘轮边界。

　　2 内压及面内弯曲载荷作用下棘轮效应的试验研究

　　2.1 弯管材料及规格

　　弯管材料为20#钢,其化学成分及力学性能见表1。弯管符合GB 12459)90要求,尺寸见表2。

　　2.2 试件加工

　　弯头两端分别与ª76 mmX4 mm、长度为100mm的直管焊接,两直管段端部与管堵焊接,X射线探伤合格后,进行去应力退火处理。

　　2.3 试验装置

　　试验装置如图1所示。弯管试件的管堵与连接块通过螺纹连接,加载杆与连接块通过销轴连接,加载杆装卡在试验机的上下夹头内,通过多轴疲劳试验机的循环拉压实现对弯管的循环弯曲,内压则通过液压泵站的另一套油路提供。

　　为了检测内压弯管对称循环弯曲时的棘轮应变,在弯管弯矩最大截面的不同位置上粘贴(0b-45b-90b)应变计。应变计的应变信号由20通道应变处理仪处理,并通过主控计算机实现载荷、应变的实时同步采集。