异径管应力分析及极限载荷的研究

论文摘要

异径管在受压管道系统中是常见的重要部件,但对异径管问题的研究基本还是空白。本文通过理论分析对内压以及面内弯矩、扭矩作用下同心异径管、偏心异径管、异径弯管的应力及极限载荷进行了研究,通过有限元数值分析和实验进行了验证。主要工作有:1推导了内压作用下异径弯管的环向应力公式和经向应力公式。在相应的结构参数条件下,异径弯管的环向应力公式可以转化为同心异径管、偏心异径管、或等径弯管的环向应力公式。在此基础上推导了异径管的极限压力式。异径管的极限内压由其大端截面控制。2推导了异径管的极限弯矩公式,异径管的极限弯矩由其小端截面控制。同心异径管、偏心异径管极限弯矩均相当于与小端口截面尺寸相同的直管的极限弯矩。异径弯管极限弯矩由与小端面尺寸相同的同心异径管、偏心异径管的极限弯矩作为基础项,再乘以弯矩系数。根据异径弯管弯曲系数的大小分为四个区间,弯矩系数分别按相应区间的回归式计算。3推导了异径管的极限扭限公式,异径管的极限扭矩均由其小端截面控制,相当于与小端口截面尺寸相同的直管的极限扭矩公式作为基础项,再乘以系数。同心异径管极限扭矩相对要比偏心异径管的极限扭矩略大一点,异径弯管大端面截面承受扭矩时的极限扭矩相对要比小端面截面承受扭矩时的极限扭矩小。在异径弯管承受端面扭矩作用上,还提出了一端的扭矩无法完全传递到另一端的概念,扭矩在传递中会逐渐转化为弯矩。90°弯管一个端面的弯矩既可由另一个端面的扭矩转化而来。4.提出了同心异径管、偏心异径管和异径弯管的有限元模型建模法。总结出应力分布或变形的特征:(1)内压作用下同心异径管大小端的面积压力差产生的弯矩引起大端相对张开、小端相对收缩的现象;(2)内压作用下偏心异径管偏心侧大端内表面及偏心侧中部外表面的环向应力最大。5.上述理论成果经过了有限元数值分析和实验验证。实验还表明,内压作用下环壳的弯曲半径和管截面半径均增大,而管壁厚变化很小。假设壁厚不变时弯曲系数随内压增大而减小。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的意义
• 1.1.1 异径管的分类
• 1.1.2 理论意义
• 1.1.3 现实意义
• 1.2 国内外相关动态
• 1.2.1 基本概况
• 1.2.2 直管极限载荷国内外研究概况
• 1.2.3 弯头极限载荷国内外研究概况
• 1.2.4 异径管极限载荷国内外研究概况
• 1.2.5 异径管的设计及选用
• 1.3 异径管的特性及本文的研究内容和研究路径
• 1.3.1 异径管的一些特性
• 1.3.2 异径管的研究内容与方法
• 第2章 异径管在内压作用下的弹性应力及极限压力
• 2.1 引言
• 2.2 弯管几何特征的定义
• 2.3 异径弯管的环向应力
• 2.3.1 内压在等径弯管中引起的环向应力
• 2.3.2 内压在异径弯管中引起的环向应力
• 2.4 内压作用下异径弯管局部应力分析
• 2.4.1 异径管的边缘应力
• 2.4.2 异径弯管的局部应力
• 2.4.3 薄膜理论解的精度
• 2.5 异径弯管的经向应力
• 2.5.1 经向应力的解析式
• 2.5.2 经向应力解析式的应用范围
• 2.6 异径弯管应力分布
• 2.7 同心异径管在内压作用下的应力
• 2.7.1 同心异径管的环向应力
• 2.7.2 同心异径管的应力分布和大小分析
• 2.8 偏心异径管在内压作用下的应力
• 2.8.1 偏心异径管的环向应力
• 2.8.2 偏心异径管的应力分布
• 2.9 异径管的极限压力
• 2.9.1 异径弯管的极限压力
• 2.9.2 同心异径管的极限压力
• 2.9.3 偏心异径管的极限压力
• 2.10 小结
• 第3章 异径管在面内弯矩作用下的弹性应力及极限弯矩
• 3.1 引言
• 3.2 异径弯管在面内弯矩作用下的极限弯矩
• 3.2.1 异径弯管的等效应力
• 3.2.2 异径弯管的弯矩系数
• 3.2.3 异径弯管的极限弯矩
• 3.3 同（偏）心异径管在面内弯矩作用下的弹性应力及极限弯矩
• 3.3.1 同（偏）心异径管的经向应力
• 3.3.2 同（偏）心异径管的环向应力
• 3.3.3 同（偏）心异径管的极限弯矩
• 3.4 小结
• 第4章 异径管在端面扭矩作用下的弹性应力及极限扭矩
• 4.1 引言
• 4.2 同心异径管在端面扭矩作用下的弹性应力及极限扭矩
• 4.2.1 同心异径管在端面扭矩作用下的弹性应力
• 4.2.2 同心异径管在端面扭矩作用下的极限扭矩
• 4.3 偏心异径管在端面扭矩作用下的弹性应力及极限扭矩
• 4.3.1 偏心异径管在端面扭矩作用下的弹性应力
• 4.3.2 偏心异径管在端面扭矩作用下的极限扭矩
• 4.4 异径弯管在端面扭矩作用下的弹性应力及极限扭矩
• 4.4.1 异径弯管端面扭矩在沿轴传递中的弯矩化
• 4.4.2 异径弯管在端面扭矩作用下的弹性应力
• 4.4.3 异径弯管在端面扭矩作用下的极限扭矩
• 4.5 小结
• 第5章 异径管弹性应力及极限载荷的有限元数值分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限元三维实体模型的建模方法
• 5.2.1 异径弯管建模方法
• 5.2.2 同心异径管建模方法
• 5.2.3 偏心异径管建模方法
• 5.3 异径管的有限元计算模型
• 5.3.1 相连直管段长度
• 5.3.2 分析模型
• 5.3.3 外加载方法
• 5.4 极限载荷的确定方法及模型验证
• 5.5 内压作用下异径管的极限载荷分析
• 5.5.1 内压作用下同心异径管的极限载荷分析
• 5.5.2 内压作用下偏心异径管的极限载荷分析
• 5.5.3 内压作用下异径弯管的极限载荷分析
• 5.6 弯矩作用下异径管的极限载荷分析
• 5.6.1 弯矩作用下同心异径管的极限载荷分析
• 5.6.2 弯矩作用下偏心异径管的极限载荷分析
• 5.6.3 弯矩作用下异径弯管的极限载荷分析
• 5.7 扭矩作用下异径管的极限载荷分析
• 5.8 异径管外载荷作用下有限元求解应力曲线分析
• 5.8.1 内压作用下异径管的应力分布曲线
• 5.8.2 弯矩作用下异径管的应力分布曲线
• 5.9 异径管的载荷位移曲线及极限载荷的求解
• 5.10 小结
• 第6章 异径管弹性应力及极限载荷的实验研究
• 6.1 引言
• 6.1.1 实验方案
• 6.1.2 实验结果
• 6.2 工程管件的实验方案
• 6.2.1 试件
• 6.2.2 测试系统示意图及相关设备仪器
• 6.2.3 试件的力学性能
• 6.2.4 实验数据的整理
• 6.3 异径弯管的实验
• 6.3.1 异径弯管试件的基本情况
• 6.3.2 内压试验
• 6.3.3 开弯矩试验
• 6.3.4 闭弯矩试验
• 6.3.5 扭矩试验
• 6.4 偏心异径管试件的实验
• 6.4.1 偏心异径管试件的基本情况
• 6.4.2 内压试验
• 6.4.3 弯矩试验
• 6.4.4 扭矩试验
• 6.5 同心异径管试件的实验
• 6.5.1 内压试验
• 6.5.2 弯矩试验
• 6.5.3 扭矩试验
• 6.6 异径管的实验结果汇总分析
• 6.6.1 异径管的实验结果
• 6.6.2 实验误差分析
• 6.7 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文的研究工作特点
• 7.2 本文的主要工作和结论
• 7.3 主要成果和创新点
• 7.4 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 异径管实验图
• 附录 B 攻读博士学位期间发表的论文