我国超高压弯管发展结论与展望建议

超高压弯管在超高压设备中得到广泛的应用，与直管相比，弯管具有独特的结构特点，现有直管的理论和薄壁弯管理论满足不了超高压弯管的设计和评估的需要，因而需要对超高压弯管的力学行为进行必要的探讨。因此，本书采用有限元分析方法，在对受内压作用无缺陷超高压弯管的弹塑性分析的基础上，进行超高压弯管的超应变研究。

一、主要结论

 本书以工业上常用的90°超高压弯管为研究对象，采用ANSYS软件，进行超高压弯管在单一内压作用下的弹塑性有限元分析，并研究了超高压弯管的最佳超应变内压。研究中取得的主要成果和结论如下：

 1. 确定了超高压弯管的有限元计算模型，编制出了适合本课题需要的超高压弯管弹塑性分析的有限元前处理程序，不仅实现了在较大范围内改变参数设置（包括弯管内外径、壁厚、弯曲半径），还实现了根据尺寸的变化自动调整网格疏密的智能单元划分功能。按照此方法建立的有限元模型对薄壁弯管进行计算并与薄壁弯管的理论计算结果相比较发现近似程度很好，其计算误差在1%以内。因而确定可以用这种建立模型的方法去对超高压弯管进行有限元分析。

  通过试算确定弯管的内侧内壁为整个结构的危险点，是弹塑性分析和自增强分析的重点关注对象。

 2. 对超高压弯管进行弹性有限元的分析表明，在R/D相同的情况下，超高压弯管的内壁面上的周向应力有这一规律与薄壁弯管相一致。而在超高压弯管内壁的中心线上的周向应力可以认为与直管的周向应力相等，其误差不超过1%.并且超高压弯管内侧内壁的周向应力随R/D的增大而逐渐减小，在R/D≥10时可以近似认为C点的周向应力值等于直管的周向应力值，其误差不超过1%.因而，对于在R/D≥10的超高压弯管可以应用直管的相关理论进行分析处理。

 3. 对规格为Dxt=78mmx22mm,R=3D的超高压弯管的极限载荷分析表明：在K和RID保持不变的情况下，超高压弯管的极限载荷与其外直径D无关，而影响其极限载荷最大的因素是K的大小，K越大其极限载荷也越高，因而在工程中可以考虑增大K值来达到提高超高压弯管的极限承载能力的目的。但是，同时还应当考虑到R/D的影响，当R/D较小时，说明超高压弯管的弯曲程度大，其极限载荷也较小，而当弯管的相对弯曲半径较大时，其极限载荷也随着增大。当R/D大于10时，超高压弯管的极限载荷可以用直管的计算公式计算。对于R/D≤5,1.2≤K≤2.3的超高压弯管，其极限载荷近似计算式可用公式（4-5)来表达。

 4. 通过对规格为Dxt=78mmx22mm,R=3D的超高压弯管的弹塑性分析可以知道，超高压弯管的内侧内壁的应力及残余应力最大，而在超高压弯管的几何中心线处的应力及残余应力和直管的相等，这和弹塑性应力分析的结果是一致的。

 5. 超高压弯管的失效形式有静强度失效和疲劳失效两种，针对这一情况，分别分析了规格为Dxt=78mmx22mm,R=3D的超高压弯管基于静强度和基于疲劳强度失效的最佳超应变压力。分析结果表明通过超应变处理可以使超高压弯管的静强度和疲劳强度得到很大的提高，针对实际存在残余应力的松弛这一现象，分析了考虑残余应力有50%的松弛时的最佳超应变压力。结果表明，对于以静强度失效为主的超高压弯管，在考虑残余应力的松弛时，其超应变处理所需要的内压高于不考虑残残余应力的松弛的情况。而对以疲劳强度失效为主的超高压弯管，在考虑残余应力的松弛时，其危险点的等效相当应力幅降低程度要小，但是其最佳的超应变内压仍然由处理时的极限强度所确定。因而，对于以疲劳强度失效为主的超高压弯管在进行超应变处理时，考虑到安全因素，处理的内压不能使其危险点的应力超过材料的强度极限，并应该有一定的安全储备。

 6. 含裂纹结构的有限元模拟分析实际上就是对真实的含裂纹结构进行合理简化后的数值模拟分析，能否快速计算并得到准确结果取决于有限元建模方法是否便捷和分析方法是否合理。本书在参考其他裂纹形式建模思路的基础上，通过多种建模方法的尝试，发展了一套较适合含半椭圆裂纹这种裂纹形式弯管的有限元建模方法，其最大特点是能够自动完成奇异单元的创建，省去了手工生成奇异单元的繁琐。该方法除可以用于弯管建模外，还可以适用于其他含半椭圆裂纹结构形式的建模，例如直管、圆柱、平板等，可以说适用范围较广。分析方法上则综合考虑了材料本构关系、单元类型选取、网格划分疏密、边界条件设置、加载方法选择以及非线性求解设定等因素对求解计算的影响，最终利用建立起的有限元模型并加以验证后来完成后续的计算工作。

 7. 在内压荷载作用下，通过对含半椭圆裂纹厚壁弯管与光滑弯管的比对分析，发现两者的等效应力场分布有很大不同。光滑弯管内侧内壁面的Mises 应力最大，其他区域应力分布不均匀，而含裂纹弯管在裂纹自由表面处 Mises 应力最大，并且由于裂纹的存在，弯管的应力发生重分布，其他区域应力趋向一致；在闭合弯矩荷载作用下，光滑弯管内侧外壁面的Mises应力最大，发生在这一位置的裂纹是最危险的。

 8. 在内压和弯矩两种荷载作用下分别求得了各自的应力强度因子KI,并研究了其随影响参数的变化规律。在内压荷载作用下，随着裂纹深度（c/t)越深、径比（R./R;)越小、内压（Pi)越高、弯曲半径比（k)越小，应力强度因子K越大，裂纹形状比（c/a)的影响规律则随裂纹角度位置不同而不同，在40度位置处 K1大小基本相同；在闭合矩荷载作用下，随着裂纹形状比（c/a)越小、径比（R./Ri)越大、弯矩（M.)越高、弯曲半径比（k)越小，应力强度因子K1越大，裂纹深度（c/t)的影响规律则随裂纹角度位置不同而不同，在40度位置处KI大小基本相同。

 9. 仅在内压荷载作用下研究了含半椭圆裂纹厚壁弯管的塑性区发展规律及失效模式。发现在初始内压作用下，裂纹自由面附近区域首先局部屈服但不会形成塑性铰，随着内压荷载继续增大，应力应变发生重分布，裂纹自由面不再是最大应力出现的位置，同时塑性区沿着内表面轴向发展较快，沿着壁厚方向扩展较慢。当内压达到极限状态时，弯管内表面完全屈服，塑性区穿透内侧壁厚导致弯管失效，失效模式为整体破坏。

 10. 仅在内压荷载下计算了含半椭圆裂纹厚壁弯管的塑性极限荷载并研究了其随影响参数的变化规律。得到了弯曲半径比（k)越小、径比（R./R;)越大、裂纹深度（clt)越浅、裂纹形状比（c/a)越大时极限荷载PL越大的结论。同时分析了与弯管相连的直管段无量纲长度对极限荷载的影响，发现与以上四个参数相比，L/D参数的影响可以忽略不计。

二、展望和建议

 本书仅对超高压弯管和含半椭圆裂纹的弯管进行了一定深度和广度的研究，得出了一些有益的结论。但由于研究时间和条件的限制，本书工作还不完善，仍有许多问题有待于进一步的研究。

 1. 超高压弯管在各种载荷形式下的力学性能研究。由于弯管中介质流动造成弯管结构的荷载变化很大，弯管的受力非常复杂，同时介质对管壁有一定的腐蚀，因此需要全面评定弯管的受力性能。

 2. 有限元模型参数化建模的参数cla使用有一定范围限制，对较扁的椭圆建模会出现不稳定现象，如何克服这一困难需要进一步研究。

 3. 本书假定采用的厚壁弯管是壁厚均匀的，实际的弯管结构由于受到制作工艺局限的影响，管壁往往是厚度不均匀的，且有截面椭圆化、凸边管壁受拉减薄、凹边管壁受压起皱等问题，这在有限元分析中是不能完全考虑的，因此计算模型可能存在一定程度的偏差。

 4. 实际弯管结构中所含的裂纹数目可能不止一条，多条半椭圆裂纹存在时对弯管的影响情况值得进一步分析研究。

 5. 弯管制造工艺复杂，所含缺陷种类较多，本书只针对表面缺陷情况之一的半椭圆裂纹展开研究，对于其他类型的面陷及体缺陷，还须进一步研究其对弯管的影响。