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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(xué)上卻是個(gè)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(xué)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(qiáng)度試驗(yàn)研究前，首先對三個(gè)絕對尺寸不同的幾何相似試件在內(nèi)壓作用下的強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。證實(shí)了三通在內(nèi)壓作用下的強(qiáng)度特性符合幾何相似原理。在此基礎(chǔ)上，本文對六個(gè)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)研究。本文采用懸臂加載方式得到了無加強(qiáng)及有焊縫加強(qiáng)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(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文對無加強(qiáng)三通進(jìn)行了有限元數(shù)值解計(jì)算。計(jì)算得到的三通應(yīng)力分布與試驗(yàn)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(biāo)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(yàn)研究準(zhǔn)備了六個(gè)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(qiáng)(理想化)及有焊縫加強(qiáng)兩種。支母管內(nèi)外壁分別經(jīng)仔細(xì)車削后正交焊接。相貫線焊縫依樣板磨至設(shè)計(jì)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(yàn)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(diǎn)(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(gè)測點(diǎn)。為校核測試精度，在四個(gè)象限內(nèi)對稱布置了測點(diǎn)。試件C對稱平面上的測點(diǎn)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(biāo)距為2x5mm。其它五個(gè)試件的測點(diǎn)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(gè)互相垂直方向的力和力偶，所以共有十八個(gè)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(gè)試件上分別進(jìn)行了上述五種基本外載下彈性應(yīng)力測量試驗(yàn)。由試驗(yàn)時(shí)所施加的最大載荷計(jì)算得到的名義應(yīng)力值。
(3)試驗(yàn)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(rèn)為試驗(yàn)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(shí)內(nèi)外壁應(yīng)力分布曲線及典型的內(nèi)力衰減曲線。縱坐標(biāo)為應(yīng)力指數(shù)，橫坐標(biāo)為50為實(shí)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(dāng)應(yīng)力系數(shù)MSF為所有測點(diǎn)中按第三強(qiáng)度理論計(jì)算得到的相當(dāng)應(yīng)力之最大值與名義應(yīng)力值之比。
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