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局部减薄弯头的极限载荷研究

局部减薄是弯头常见的缺陷,但国内外对此类缺陷的研究主要针对直管,对弯头局部减薄的研究少有文献报道。本文通过详细的有限元计算和理论分析,研究了在内压和弯矩作用下局部减薄对弯头极限承载能力的影响,以及内压作用下多局部减薄的相互干涉效应和弯矩作用下直管对弯头极限载荷的加强作用,并进行了部分实验验证,得到了以下研究成果:
1.用有限元方法对内压作用下局部减薄弯头的极限载荷进行了系统地分析和计算,得出局部减薄弯头的极限压力与局部减薄的直管不同,弯头的极限压力不仅取决于局部减薄大小,还与局部减薄位置和弯曲半径有关,如采用局部减薄直管的计算方法评定弯头,则会得出不安全或过于保守的结果;同时减薄宽度对极限载荷的影响也不可忽略。在有限元分析的基础上给出了局部减薄弯头极限压力的计算公式,公式计算结果与有限元计算和实验结果都相当吻合并偏安全,计算公式可以实际应用于局部减薄弯头的安全评定,补充了该项研究的空白。
2.通过有限元分析,研究了在内压下多局部减薄之间的相互干涉效应,研究表明多局部减薄的相互影响不仅与间距有关,还与减薄深度有关。指出减薄深度较浅时,轴向局部减薄间距大于2倍壁厚,双局部减薄的极限载荷与单个局部减薄的极限载荷基本相同;当减薄深度较深,轴向局部减薄间距大于4倍壁厚时,双局部减薄的极限载荷与单个局部减薄的极限载荷基本相同,补充了现有研究的不足。
3.通过有限元计算,研究了相连直管对弯头极限弯矩的加强作用,指出与弯头相连的直管会使弯头的极限弯矩增大,弯曲半径不同时,弯头极限载荷增加量不同。当相连直管长度大于3倍管径时,直管对弯头的强化作用不再增加。该项研究补充了直管对弯头加强作用研究的不足。
4.通过有限元分析详细研究了局部减薄对弯头极限弯矩的影响,得出面内弯矩作用下局部减薄弯头极限弯矩的大小与减薄位置、减薄尺寸及弯曲半径有关。研究表明在弯矩作用下,几何非线性的影响是显著的。在内壁局部减薄和大变形有限元分析的基础上,给出面内弯矩作用下局部减薄弯头极限弯矩的计算公式,计算结果可以较准确并偏保守地反映出有限元计算结果,并与实验结果相符。该项研究填补了这一领域的空白。

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