【導(dǎo)讀】彎管是管道系統(tǒng)的主要構(gòu)件，在受壓管道系統(tǒng)中受載復(fù)雜，是系統(tǒng)中的薄弱。矩載荷作用下，對含局部缺陷壓力管道受扭矩載荷作用的極限載荷及失效評定卻。塑性極限載荷進(jìn)行了研究，詳細(xì)地研究了單一內(nèi)壓、單一彎矩、單一扭矩作用時。建立了含減薄缺陷彎管的三維有限元計算模型，給出了適合本課題需。要的有限元前處理及計算程序。面內(nèi)閉合彎矩的局部減薄彎管，影響其承載能力的主要是環(huán)向減薄長度，局部減。部減薄的深度影響最小。

　　

【正文】 ded Engineering)工程軟件里的一員， ABAQUS 有著強(qiáng)大的計算和數(shù)據(jù)處理能 力。有限元分析包括三個步驟：前處理、分析計算和后處理。 在前處理階段需要定義物理問題的模型，并生成一個 ABAQUS 輸入文件。ABAQUS/CAE 是完整的 ABAQUS 運(yùn)行環(huán)境，可以生成 ABAQUS 模型、交互式地提交和監(jiān)控分析作業(yè)，并顯示分析結(jié)果。 ABAQUS/CAE 分為若干個功能模塊，每一個模塊定義了模擬過程的一個方面，例如：定義幾何形狀、材料性質(zhì)和網(wǎng)格等。建模完成后， ABAQUS/CAE 可以生成 ABAQUS 輸入文件，提交給ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit ； 在 分 析 計 算 階 段 ， 使 用ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型。完成一個求解過程所需的時間取決于問題的復(fù)雜程度和計算機(jī)的運(yùn)算能力。ABAQUS/CAE 后處理可以用來讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)，以多種方法顯示分析結(jié)果，包括彩色云紋圖、動畫、變形圖和 XY 曲線圖等。 模型建立的具體順序按：創(chuàng)建部件，定義材料，創(chuàng)建分析步，加載載荷以及邊界條件，劃分網(wǎng)格，作業(yè)和后處理。 1）創(chuàng)建部件： ABAQUS 中提供了常用的二維畫圖工具，并能通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割等動作進(jìn)行三維作圖。 2）定義材料：通過用戶自定義材 料屬性參數(shù)，在材料庫中可以模擬各種工程材料。 3）創(chuàng)建分析步：用戶可自行設(shè)置載荷施加時間、迭代次數(shù)、輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)容等。 4）加載載荷及邊界條件：根據(jù)實(shí)際情況，對載荷大小、加載范圍進(jìn)行設(shè)置，并限制模型自由度。 5）劃分網(wǎng)格：通過切割模型，布置邊緣種子數(shù)量、間距，來劃分理想的網(wǎng)格。 6）作業(yè)：提交分析任務(wù)。計算機(jī)將按照用戶設(shè)定的輸出項(xiàng)目計算結(jié)果。 7）后處理：顯示計算結(jié)果，繪制圖表等。 第三章 含減薄缺陷彎管的有限元模型的建立 17 使用 ABAQUS 建立含缺陷彎管模型 創(chuàng)建部件 有限元計算模型采用φ 108 8mm， 90176。彎管，彎曲半徑 R為 150mm,兩端各接一段長 150mm的直管。局部減薄考慮了外拱內(nèi)壁局部減薄的情況 ,為減輕計算負(fù)擔(dān)，截取實(shí)物的 1/2建立模型 如圖 31，無量綱參數(shù) a=γ /45176。， b=φ /180176。 ,c=C/t。 具體步驟：點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的 （創(chuàng)建部件），彈出 創(chuàng)建部件對話 框，模型空間、形狀保持默認(rèn)，類型設(shè)置為 掃掠 ，大約尺寸設(shè)置為 20xx，點(diǎn)擊 繼續(xù) 。進(jìn)入繪制模型截面的界面，選擇 ，點(diǎn)擊視圖區(qū)正中間的坐標(biāo)遠(yuǎn)點(diǎn)（ 0， 0），作為圓弧中心。以 150mm為半徑畫圓。選擇 ，以圓的上頂點(diǎn)為起點(diǎn)畫一段長為150mm的水平線段。再以圓的左頂點(diǎn)為起點(diǎn) 畫一段長為 150mm的豎直線段。選擇 ，去掉 3/4圓弧。按回車鍵，使兩條線段和 1/4圓弧形成一掃掠路徑。如圖32。 圖 32 掃掠路徑 再次按回車鍵，進(jìn)入繪圖環(huán)境，繪制被掃掠截面。如圖 33。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 圖 33 被掃掠截面 再雙擊回車鍵， 1/2無缺陷彎管就創(chuàng)建出來。如圖 34。 圖 34 1/2無缺陷彎管 缺陷塊創(chuàng)建操作步驟同上。缺陷模型 如圖 35。 第三章 含減薄缺陷彎管的有限元模型的建立 19 圖 35 缺陷模型 選擇 組裝 ，點(diǎn)擊 ，在跳出的對話框中按住 Ctrl依次選擇兩個部件，點(diǎn) 擊 繼續(xù) 。點(diǎn)擊 ，在彈出的對話框中選擇 減掉尺寸 操作和 去除 選項(xiàng)。點(diǎn)擊 繼續(xù) ，依次點(diǎn)擊彎管和缺陷塊模型，按回車鍵，這樣含減薄缺陷的彎管模型就建立出來了。如圖 36。 圖 36 含減薄缺陷的彎管模型 定義材料 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 有限元分析中材料假定為理想彈塑性材料，不考慮材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)，材料其余的力學(xué)性能為：彈性模量： E = 105 MPa ，泊松比 ν= ， σy =320 MPa。 具體步驟：在模塊中選擇 屬性 ，進(jìn)入屬性編輯界面。點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)中的 ，彈出 編輯材料 對話框。點(diǎn)擊此對話框中 力學(xué)特性 — 彈性 — 彈性 。在數(shù)據(jù)表中設(shè)置彈性模量 為 210000， 泊松比 為 ，繼續(xù)點(diǎn)擊 力學(xué)性能 — 塑性 — 塑性 ，設(shè)置屈服應(yīng)力為 320MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?0，其余參數(shù)不變。點(diǎn)擊 確定 。 點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的 （創(chuàng)建截面），彈出 創(chuàng)建界面 對話框，保持默認(rèn)設(shè)置不變，點(diǎn)擊 繼續(xù) 。 點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的 （指派截面），點(diǎn)擊視圖區(qū)中的管道模型，ABAQUS/CAE 以紅色高亮表示被選中的實(shí)體邊界，在視圖區(qū)中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中建，彈出 編輯指派界面 對話框，點(diǎn)擊 確定 。 創(chuàng)建分析步 創(chuàng)建一個分析步，用于施加載荷（這里只介紹內(nèi)壓），屬于靜載荷。 具體步驟： 在模塊中選擇 分析步 。點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)中的 （創(chuàng)建分析步），彈出的 創(chuàng)建分析步 對話框，在名稱后輸入 Pressure, 其余參數(shù)保持不變，點(diǎn)擊 繼續(xù) 。在彈出的 編輯分析步 對話框中，增量步初始為 ，增量步最大為 ，點(diǎn)擊 確定 。 加載載荷及邊界條件 在建立的模型上施加預(yù)估的極限壓力，加載位置在管道內(nèi)表面，包括減薄區(qū)表面。 在 1/2的對稱面上，給予 Z方向的約束；在管子左端部的支撐面處，施加一個 Y方向約束；在左下腳施加一個 X方向的點(diǎn)約束。在管子的右端面施加一個等效壓力載荷。 設(shè)置完畢后，模型載荷及邊界條件如圖 37。 具體步驟：在模塊中選擇 載荷 。點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的 （創(chuàng)建載荷）。在彈出的 創(chuàng)建載荷 對話框中，選擇分析步 pressure, 所選分析步類型 壓強(qiáng) , 單擊 繼續(xù) 。在彈出的 編輯載荷 對話框中，編輯壓力加載區(qū)域和加載大小后，單擊 確定 。 點(diǎn)擊 （創(chuàng)建邊界條件）。在彈出的 創(chuàng)建邊界條件 對話框中，選擇所選分析步類型 對稱 /反對稱 /完全固定 ，單擊 繼續(xù) 。選擇需要限定自由度的邊界并限定其第三章 含減薄缺陷彎管的有限元模型的建立 21 自由度，其原則是在 XY 對稱面上限定 Z 軸上的位移；在 XZ 對稱面上限定 Y軸上的位移；在 YZ 對稱面上限定 X 軸上的位移。 圖 37 模型載荷及邊界條件 劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格的劃分在一定程度上影響了最后計算的效率及準(zhǔn)確度。為了獲得理想的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格需將模型劃分區(qū)域。此例中，管道的完整性被破壞，應(yīng)力集中的部位在減薄區(qū)附近，因而在減薄區(qū)附近布置的網(wǎng)格要較其他部位的網(wǎng)格密集一些，選擇均勻布置種子。由于其應(yīng)力分布相對較均勻，出現(xiàn)危險的概率較小，故選擇補(bǔ)種的間距較大，使用偏心布種的方法，以減輕后處理的運(yùn)算量。最終獲得的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖 38。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 圖 38 網(wǎng)格劃分 具體步驟：在模 塊中選擇 網(wǎng)格 。選擇對象為 部件： Part3。在左側(cè)工具欄選擇 按間距在模型的每條邊上邊上布種，見圖 39。選擇 開始分網(wǎng)。最后獲得的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格見圖 310。 圖 39 在邊上布種 第三章 含減薄缺陷彎管的有限元模型的建立 23 圖 310 分網(wǎng)后模型 作業(yè) 在作業(yè)模塊中創(chuàng)建作業(yè)，提交。作業(yè)時間與網(wǎng)格的復(fù)雜程度和載荷大小相關(guān)。為了量化減薄區(qū)尺寸對彎管承載能力的影響，在不同內(nèi)壓條件下模擬含不同減薄大小的彎管應(yīng)力分布情況，模擬結(jié)果及分析在后面章節(jié)中討論。 本章小結(jié) 本章介紹建立含減薄缺陷常溫 管道的三維模型的方法和步驟，包括創(chuàng)建部件，定義材料，創(chuàng)建分析步，加載載荷以及邊界條件，劃分網(wǎng)格，作業(yè)和后處理。在創(chuàng)建部件中建立具有一定幾何尺寸的三維含缺陷管道模型；通過定義材料使得模型成為具有一定物理性質(zhì)的彈塑體；在創(chuàng)建分析步中確定了有限元分析的步驟以及迭代的各種參數(shù)；加載載荷及邊界條件可以模擬真實(shí)情況下管道的受力情況；劃分網(wǎng)格同樣是有限元分析的基本步驟，最后作業(yè)及后處理為理論分析提供材料。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 第四章 含局部減薄彎管極限載荷的數(shù)值分析 引言 由于腐蝕、沖蝕、機(jī)械損傷以及裂紋打磨修補(bǔ)， 彎管 往 往存在著壁厚局部減薄的現(xiàn)象。局部減薄的存在破壞了結(jié)構(gòu)的完整性，降低了彎管的承載能力，給管道的安全運(yùn)行帶來了隱患。為了對含局部減薄彎管進(jìn)行安全評估并采取有效的維護(hù)措施，準(zhǔn)確確定含局部減薄彎管的極限載荷是十分必要的。本章采用有限元方法計算含局部減薄彎管的極限載荷。 研究方案 有限元計算模型采用φ 108 8mm， 90176。 彎管，彎曲半徑 R為 150mm，兩端各接一段 150mm長的直管。由彎管的結(jié)構(gòu)尺寸、載荷狀況的對稱性，計算模型選取時，以通過彎管軸線和內(nèi)外拱線的縱向截面將彎管剖分為二，取其 1/2 結(jié)構(gòu)作為計算模 型。 為了找出各參數(shù)對彎管極限載荷的影響規(guī)律，并減少計算工作量，本章采用正交試驗(yàn)設(shè)計法，利用正交表安排計算方案，即將局部減薄參數(shù)軸向角度、環(huán)向角度、減薄深度無量綱化為 a,b,c作為正交試驗(yàn)的三個因子，每個因子取 3個水平： （ 1）無量綱化局部減薄軸向長度 a=γ/45176。 : ， ， ； （ 2） 無量綱化局部減薄環(huán)向長度 b=θ/180176。 : ， ， ； （ 3） 無量綱化局部減薄深度 c=C/t: ， ， 。 其中 γ 為局部減薄軸向角度， θ 為局部減薄環(huán)向角度， C 為減薄深度， 具體見圖 41。 第四章 含局部減薄彎管極限載荷的數(shù)值分析 25 圖 41 外拱內(nèi)壁含減薄缺陷彎管模型 表 41 正交表 L9(34) 1(a) 2(b) 3(c) 4 1 1() 1() 1() 1 2 1() 2() 2() 2 3 1() 3() 3() 3 4 2() 1() 2() 3 5 2() 2() 3() 1 6 2() 3() 1() 2 7 3() 1() 3() 2 8 3() 2() 1() 3 9 3() 3() 2() 1 極限載荷的確定 本文研究常溫彎管的極限載荷，如前文所提，采用兩倍彈性斜率準(zhǔn)則分析材料的極限載荷。即有限元分析得出載荷與最大主應(yīng)變圖，取圖上兩倍斜率線與該曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的載荷，即為材料 的極限載荷。圖 42為內(nèi)壓下的應(yīng)變圖。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 圖 42 兩倍彈性斜率準(zhǔn)則確定的極限載荷 極限載荷的有限元分析 內(nèi)壓作用下局部減薄彎管計算結(jié)果分析 表 42 含局部減薄彎管極限內(nèi)壓有限元計算結(jié)果 管號 管子規(guī)格和尺寸 有限元極限載荷 PF（ MPa） 最大應(yīng)變點(diǎn)位置 a b c 1 偏離缺陷中心內(nèi)壁 2 偏離缺陷中心內(nèi)壁 3 偏離缺陷中心內(nèi)壁 4 缺陷中心 5 偏離缺陷中心內(nèi)壁 6 內(nèi)拱內(nèi)壁 7 偏離缺陷中心內(nèi)壁 8 內(nèi)拱內(nèi)壁 9 缺陷中心 *注：最大應(yīng)變點(diǎn)均在彎管對稱截面上 第四章 含局部減薄彎管極限載荷的數(shù)值分析 27 1)方差分析 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如表 43所示 表 43 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表 統(tǒng)計量 因 素 1（ a） 因素 2（ b） 因素 3（ c） K1 K2 K3 均值y=，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的和 T=，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平方和 Q=。 （ 1） 計算偏差平方和 92TQS ??= 9324121 TkS i i ????= ?2S ?3S ?eS （ 2）計算自由度 ｖ T =91=8 ｖ １ =ｖ ２ =ｖ ３ =31=2 ｖ ｅ ＝ ｖ T ｖ １ ｖ ２ ｖ ３ ＝２ （ 3）計算平均偏差平方和 ?111 vSV ?2V ?3V ?eV （ 4）計算 F值 ?? eVVF 11 ?2F ?3F 查 F 分布表，列出方差分析表（見表 44）。 表 44 方差分析表 方差來源 偏差平方和 自由度 均方差 F 值 顯著性 因素 1 2 * 因素 2 2 不顯著 因素 3 2 *** 誤差 2 總和 8 ? ??2, ? ??2, ?, 由方差分析可知，因素的顯著性順序按從大到小為 c， a， b。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 28 綜上所 述，對于承受內(nèi)壓的局部減薄彎管，影響其承