肩部减薄缺陷三通塑性极限面内弯矩的研究

　　三通是不规则的几何异形体，主支管相贯，相当于在圆柱筒体上径向大开孔。主管上的这部分面积失去了承载能力，其载荷只能叠加到支管的根茎部位，即所谓三通肩部，故在此局部区域形成峰值应力。三通在使用中，由于腐蚀、冲蚀、机械损伤或对表面、近表面危险缺陷的打磨消除等原因，常易在肩部产生局部减薄缺陷，更加减弱了其承载能力。从某种意义上说，三通承载能力的高低将直接影响到整个管系的完整性及安全运行。

　　三通的问题实质就是圆柱壳开孔接管的问题。由于三通应用的普遍性和重要性，使它从五十年代起便成了力学界共同关注的重要课题之一。1955年Bijlaa记川首先应用Donnen的圆柱壳方程，从理论上解决了圆柱壳开小孔的问题。此后，Schroe-der〔’]和Ellyin[’J采用线性规划的方法分别建立了面内弯矩下两个圆筒体相贯结构的极限载荷上限解和下限解，Billington〔4]基于实验的结果，给出T形管接头在面内弯矩下的极限载荷估算公式。我国在“八五”、“九五”期间，已基本解决了压力容器、压力管道直管段塑性极限载荷计算及安全评估问题，但未涉及三通等复杂结构管件，为此，国家科技部将此课题列为“十五”重点科技攻关项目的部分内容。

　　由于三通自身壁薄且材料韧性好，其破坏形式收多为塑性失效，如何求解含缺陷管件三通的极限载荷已成为其完整性评估的关键技术之一。本文采用非线性有限元法，对含肩部减薄缺陷三通的面内极限弯矩进行了系统的分析，找到了影响其塑性极限弯矩的主要因素，最终拟合得到具有很高精度和较大适用范围的工程估算公式。

　　1有限元分析技术

　　1.1三通实体模型

　　实际的三通结构形式很多，本文研究常用的焊制正三通，且对其几何结构进行如下的简化:把支主管看作两个理想圆柱体正交相贯，不考虑相贯线处焊缝加强影响以及其它元件的加强作用[’〕。研究中采用的含肩部减薄缺陷三通的实体模型如图l。

　　在役三通实际减薄缺陷是不规则，需对其进行偏于保守的简化，选择边缘呈矩形，底部等深、轴向及环向与三通的曲率相同的局部减薄形状，缺陷结构如图l所示。

　　更好地对不同减薄尺寸三通进行分析和比较，对缺陷的表征采用无量纲化的尺寸，分别表示如下:无量纲化的缺陷环向半角b=ZB/h;无量纲化的缺陷径向深度。二C./T:二CZ/几;无量纲化的缺陷轴向长度l二ZL:/D。:二2L2/D02。

　　1.2有限元模型

　　考虑到三通几何结构和载荷的对称性，选取二分之一建立有限元模型，为消除约束造成的边缘效应，在主支管上均增加长度为3倍管径的直管段。选用三维20节点等参单元(Sohd95)划分网格，如图2所示，网格的疏密程度根据应力梯度大小来确定，在支主管相贯区和肩部减薄区适当增加单元密度。沿厚度方向，相贯区内划分3个单元，其它区域使用1个单元;沿轴向和环向方向，经大量试算确定了可自动调整的最佳单元数。