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由兩圓柱殼體正交相貫構(gòu)成的T型三通在工程上得到廣泛地應(yīng)用，如電站汽水管道、核反應(yīng)堆及石油化工管道中都大量裝有T型三通。然而，T型三通的應(yīng)力有限元分析在力學上卻是個很復(fù)雜的問題，尤其對于支管與母管直徑比大于1/3的三通，由于數(shù)學上的困難，至今尚未得到令人滿意的理論分析解。
三通在工作過程中主要承受內(nèi)壓載荷。以彈性基礎(chǔ)梁作為物理模型而得到的三通減弱系數(shù)尹與三通絕對幾何尺寸有關(guān)，它與幾何相似原理相矛盾。本文在全面開展三通強度試驗研究前，首先對三個絕對尺寸不同的幾何相似試件在內(nèi)壓作用下的強度特性進行了試驗研究。證實了三通在內(nèi)壓作用下的強度特性符合幾何相似原理。在此基礎(chǔ)上，本文對六個在內(nèi)壓作用下的不同壁厚與結(jié)構(gòu)的等徑三通作了彈塑性試驗研究。
由于管系自重、溫度變化、裝配偏差等原因，三通管端還將受到各種不同形式的外載。對母管兩端固定、支管受外載的三通作了試驗研究。J.Corum等人對母管一端固定、懸臂受外載的三通也作了試驗研究及有限元分析。在1980年對母管兩端固定、支管受外載的厚壁三通作了試驗研究。本文采用懸臂加載方式得到了無加強及有焊縫加強等徑三通在五種基本形式外載作用下的應(yīng)力分布規(guī)律。
在試驗研究的基礎(chǔ)上，本文對無加強三通進行了有限元數(shù)值解計算。計算得到的三通應(yīng)力分布與試驗結(jié)果有良好的一致性，并且得到各種工況下應(yīng)力集中系數(shù)與R的關(guān)系曲線。
為討論方便，對三通建立坐標系，其中xoy(縱向平面)及yoz(橫向平面)為三通兩重要的對稱平面。
為試驗研究準備了六個等徑三通試件。試件材料為低碳鋼。試件幾何特征值召分為1.07，1.20，1.50三種。結(jié)構(gòu)型式分為無加強(理想化)及有焊縫加強兩種。支母管內(nèi)外壁分別經(jīng)仔細車削后正交焊接。相貫線焊縫依樣板磨至設(shè)計要求尺寸后作退火熱處理。所有焊縫經(jīng)X光射線檢查。支母管直徑及壁厚均相同。
試驗以三通的縱向平面(a=0)，橫向平面(a=90°)及支母管相貫線為主要研究對象。內(nèi)外壁表面都布置測點(盡可能一一對應(yīng))，沿相貫線兩側(cè)支母管壁上，a角每隔22.5。各布置一個測點。為校核測試精度，在四個象限內(nèi)對稱布置了測點。試件C對稱平面上的測點布置。全試件上共122朵三片直角應(yīng)變花(內(nèi)壁63朵，外壁59朵)。應(yīng)變片絲柵標距為2x5mm。其它五個試件的測點布置與試件C類同。
(1)外載作用在三通每一管端上的外載可分解為三個互相垂直方向的力和力偶，所以共有十八個外力素。考慮到xoz平面上的剪力對相貫區(qū)應(yīng)力分布影響很小，故可歸結(jié)為五種基本外載型式，即面內(nèi)彎矩x、面外彎矩Mvv、扭矩M、母管軸向推力v，及支管軸向推力by。
(2)在A，B，C，D四個試件上分別進行了上述五種基本外載下彈性應(yīng)力測量試驗。由試驗時所施加的最大載荷計算得到的名義應(yīng)力值。
(3)試驗數(shù)據(jù)為校核載荷與應(yīng)變的線性關(guān)系，記錄加載過程中不同載荷等級下相應(yīng)的應(yīng)變值。取三次重復(fù)加載記得應(yīng)變值的平均值為原始應(yīng)變數(shù)據(jù)。
測量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，三次加載得到應(yīng)變值的重復(fù)性、載荷與應(yīng)變的線性關(guān)系都是很好的。各種載荷下應(yīng)有的對稱性令人滿意。因此可以認為試驗數(shù)據(jù)是可靠的。
(4)結(jié)果與分析試件A受面內(nèi)彎矩作用時內(nèi)外壁應(yīng)力分布曲線及典型的內(nèi)力衰減曲線�？v坐標為應(yīng)力指數(shù)，橫坐標為50為實測應(yīng)力。其它試件的應(yīng)力分布曲線由于篇幅限制不再列出。
定義最大相當應(yīng)力系數(shù)MSF為所有測點中按第三強度理論計算得到的相當應(yīng)力之最大值與名義應(yīng)力值之比。
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