挤压三通弹塑性应力分布的有限元分析

    进行三通结构优化设计及含缺陷情况下完整性分析时,系统了解各部位的应力分布十分重要。尽管冷挤压成型的管道三通目前在石油化工行业得到了广泛的应用,但至今没有能解出各部位应力分布的理论公式。目前已有许多有关三通应力分析的研究报道[1-7],但几乎所有的工作都局限于特定尺寸下在弹性范围的强度特征,系统分析尺寸因素如D/T,r/D(名义直径和壁厚之比,肩部半径和主管名义直径之比)对应力分布影响的工作还没有进行。由于三通主管上开孔,主支管相贯处的应力大于与之相连接直管上的应力,工作条件不可避免地会产生塑性变形,因此了解弹塑性范围内的应力分布和塑性区的发展规律也具有重要的工程意义。

    等径三通是所有三通中最危险的情况,也是工程中应用最多的一种结构,系统研究其应力分布更具有典型的代表价值。本文采用3-D弹塑性有限元技术分析了等径挤压三通各部位的应力分布,详细考察了尺寸因素对应力分布的影响及塑性区的发展过程,研究结果为深入了解挤压三通的强度特性提供了依据。

    1挤压三通的有限元模型、尺寸及材料

    工业中按照标准制造的冷挤压三通是典型的变截面结构,不仅各部位的壁厚不等,且不同制造商生产的同规格三通支、主管过渡处的曲率半径r也不是定值。完全按照挤压三通的实际尺寸建立有限元模型,不仅需要花费大量的时间,在工程实用中具有一定的困难,而且缺少通用性,对实际生产指导意义不大,可以按照文[6]提出的简化方法建立有限元模型,模型的典型网格划分见图1。本文以外径Do=273, 159, 108mm为基础,分别建立不同壁厚、不同肩部圆角半径的等径三通有限元模型,系统研究应力分布和塑性区的发展规律。弹塑性分析得到的三通各部位的应力均用无量纲形式表示,考虑到各部位几何形状不规则以及应力分布的复杂性,这里选取Mises当量应力来反映各点的应力大小,并参照ASME压力容器分析设计规范,定义应力指数Keq=σeq/(PD/2T)。

    2均匀壁厚等径挤压三通上的弹性应力分布

    在数值分析中,用数值和曲线完全给出三通各部位的应力分布是不现实的。这里选取肩部过渡区EDF线(纵向平面内)、主支管相贯区DB线以及腹部的ABC线(横向平面内)为代表(见图1),系统研究不同肩部过渡半径和不同壁厚下的应力分布规律。

    2.1不同支主管肩部过渡半径时挤压三通的弹性应力分布规律

    文献[1]指出肩部过渡半径r对各部位应力有较大影响,本文在外径Do=273mm,壁厚T=8mm的条件下,分析了有限元模型(r/D=0.000,0.038,0.113,0.189,0.245,0.264)中沿EDF线、DB线及ABC线的应力变化规律,计算结果如图2~ 4所示。通过对这些结果归纳、整理,可以得出以下结论: