面内弯矩下焊制管道三通的塑性极限载荷

    0　前言

    塑性极限载荷反映了结构的极限承载能力,在压力容器分析设计中具有重要的意义。ASME锅炉压力容器规范核容器分卷第N-417.6款及我国的钢制压力容器分析设计规范都规定,如果能够证明外载荷不超过其极限载荷下限值的2/3时,则局部膜应力强度以及一次膜应力加上一次弯曲应力强度的强度条件不需要满足。实际上,现行规范中的容器接管和管道三通都是按照极限分析的观点进行设计和补强的。管道三通可能受到内压和多种外载荷作用,为了评估临界工况下的可靠性,有必要对每一种工况下的极限载荷及其联合工况进行分析。

    面内弯矩是管道三通常见的一种外载荷(图1)。我国80年代初期曾对此类强度问题进行了探讨[1],国外早在60、70年代便针对该类结构在外加弯矩载荷下的极限承载力进行了研究。Schroeder[2]和Ellyin[3]采用线性规划的方法分别得到了三通在面内弯矩载荷下极限值的上限解和下限解。但由于计算方法比较复杂,并且需要计算机程序来完成,现有结果还不足以提供一个适用于设计的通用算法。有限元方法尽管能够得到满足工程要求的极限载荷解,由于费时费力且普通工程人员不易掌握,因而不适用于生产成本较低的管通三通。可见,发展一个适合工程应用的面内弯矩极限载荷估算方法,具有极大的应用价值。

    本文基于三通相贯线处近似的应力分析,采用极限分析理论的下限定理,得到了个简便估算焊制三通塑性极限面内弯矩的工程方法,并利用试验数据进行验证。

    1　几个简化假设

    作为一种工程方法,为简化问题,突出主要因素,对于三通复杂的几何结构和实际材料可以进行以下假设:①焊制三通为2个理想的圆柱体正交相贯,即不考虑主支管的不圆度和加工误差;②不考虑相贯线处焊缝加强的影响以及其他加强元件的加强作用;③三通支主管由相同材料制成,二者具有相同的材料强度;④理想刚塑性材料假设。即认为三通管发生整体屈服前没有弹性变形,在直至塑性屈服前三通管件无椭圆化趋势。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。

    2　近似应力分析

    面内弯矩作用下无加强元件的焊制三通,其相贯线附近区域的应力分布非常复杂,至今尚没有精确的分析解。现有的弹性范围内的应力测试结果表明[1]:相贯线上的最大应力为切向应力,剪应力在相贯线处非常小,基本上可以不考虑。在支、主管上应力随着相贯线的距离增加而减少。

    按照极限分析的观点,结构不连续引起的边缘应力对于结构的塑性极限载荷不起作用。因而三通相贯区的受力情况可以只考虑由于面内弯矩产生的应力各分量,而对由于变形协调产生的边缘载荷不予考虑。