复杂球面钢管的有限元分析

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　　有限元分析网格划分采用映射和自由、整体划分和局部加密相结合的方法。钢管几何形状规则，采用映射网格划分，对球面采用自由分网。在受力复杂的球管相贯处，加密网格。加载时，考虑节点的实际受力情况，半球底部视为固端，约束全部自由度，各钢管均沿轴向加载。计算时，考虑几何和材料双重非线性，并假定材料为理想弹塑性，服从 Von-Mises屈服准则。采用 Newton-Raphson 增量迭代方法，辅助线性搜索技术，应用预测和自适应下降等加速收敛技术，以节点力平衡为收敛准则。本研究在有限元建模和分析中，未考虑残余应力和节点区焊缝的影响。计算模型如图所示。

　　在分析过程中，管上应力呈弹性状态，由于是轴向加载，无偏心影响，管周应力均匀分布，基本是轴向应力，环向应力很小，其中应力最大点位于四号管与球的交接处。在检验荷载作用下，四号锥管底部的应力约为 230MPa，与试验值比较接近。从计算可知，锥管底部已经达到屈服应力。

　　球面受力状态比较复杂，在检验荷载作用下球面的等效应力如图所示。从图可知，球管交界处(焊趾附近)应力集中现象比较严重，在检验荷载作用下，球面的最大应力为322MPa，位于四号管与球面交接处内侧，已大于规范规定的材料屈服强度，但是小于实测的材料屈服强度。另外，离锥管外表面的距离越远，球面的径向应力迅速减小，且均为压应力，环向应力很小，且由压转变为拉应力。


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