基于ABAQUS的三通接头应力分析和评定

徐 伟 ，迟 明 ，张宗政

（1.四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000；2.杭州欧佩亚海洋工程有限公司，浙江 杭州310058）

0 引言

三通又称管件三通，是管道系统中的常用部件。在结构设计上，三通属于开孔结构，存在几何形状不连续因素，在相贯线的拐角处会形成极大的应力集中[1]。但是作为常用件，标准或规范中均未对其设计和分析做出明确说明，为了高效地设计出既经济合理，又安全可靠的三通接头，研究一种针对三通接头的有效设计分析方法或途径是必要的。

在美国标准ASME BPVC VIII-div.2和我国标准JB4732均明确了三种压力容器分析设计法及其实施方法，弹性应力分析法[2-3]基于材料的线弹性，计算其弹性名义应力，分析结构进行应力分类并按照不同的设计准则进行评定；极限载荷分析法[2-3]基于材料的理想弹塑性，求解结构所能承受的载荷极限，并根据设计因子进行校核；弹塑性应力分析法[2-3]基于材料的真实弹塑性来计算给定载荷下结构的状态。

三种分析设计方法中弹塑性分析法可真实地反映载荷作用下结构的状态，但是材料的塑性特征难以获取；而前两者不存在材料定义的问题，有利于提高结构的设计和分析效率。因此，本文运用弹性应力分析法和极限载荷分析法对三通接头的设计和分析进行讨论。

1 建立有限元模型

如图1所示为一等径三通接头，结构根据标准ASME B16.9[4]设计，壁厚根据标准ASME B31.8设计，考虑其结构、边界和载荷上的对称性，简化模型，仅取其1/4作为分析对象，如图2所示。材料为ASTM A694 F65，弹性模量E=210 000 MPa，泊松比μ=0.3，屈服强度Sy=448 MPa，许用应力S=323 MPa。

边界条件：两对称面施加对称约束，在上端面施加轴向位移约束；在内部施加静载压力P=35 MPa。另外，图2中所示斜线为应力线性化路径。

图1 三通接头

图2 简化分析模型

2 弹性应力分析

此分析仅定义材料的线弹性特征，提交分析，结果云图如图3所示。

图3 应力及位移云图

ASME BPVC VIII-div.2指出弹性应力分析结果可通过等效应力线性化进行应力分类，应力被分成一次总体薄膜应力（Pm）、一次局部薄膜应力（PL）、一次弯曲应力（Pb）、二次应力（Q）和峰值应力（F）等五大类[3]，并对各类应力明确了评定条件，如下：

一次总体薄膜应力强度Pm≤S

一次局部薄膜应力强度PL≤1.5S

一次薄膜加一次弯曲应力强度PL+Pm≤1.5S

一次加二次应力强度PL+Pm+Q≤3S

应力线性化处理要求自定义关心区域的路径，实践证明三通接头在相贯线处的应力往往偏高，因此分析过程中可仅对相贯线处的路径应力线性化处理，路径如图2所示，应力分类结果输出至文件linear stress.rpt，结果如图4所示：

图4 应力线性化结果

ASME BPVC VIII-div.2规定对复合应力状态采用von Mises屈服作为失效理论。根据评定条件校核应力见表1所示。

表1 应力线性化计算结果校核表

由上表可知，PL+Pb不满足其限制条件，但是由有限元分析程序得到的应力分类结果均无法判别局部薄膜加弯曲应力PL+Pb中包含的二次应力。因此，若忽略二次应力的判别，当等效线性化得到的局部薄膜加弯曲应力满足1.5S，变相的一次加二次应力强度满足3S，则设计保守；当其不满足1.5S，仅满足3S要求，则设计冒进。为此，陆明万[4]等提出一次结构法用于分离二次应力，高炳军等应用叠加原理用构建一次结构，但是实际应用中均过于繁琐，需重建模型而且存在简化不合理的问题。

为了避免应力分类不彻底的困扰，进一步结合极限载荷分析法来验证设计的可靠性。

3 极限载荷分析

材料定义为理想塑性，结构处于小变形状态，用于研究塑性极限状态下的结构特性。

通过固定增量步的形式逐步加载，加载曲线如图5，其中施加载荷应不小于1.5P。

图5 加载曲线

根据极限载荷分析评定办法，需提取节点位移—载荷曲线。三通接头分析所取的节点位于接管端部内壁中心节点，此节点位移能比较明确地反映结构在内压作用下的径向变形状态。该节点的位移—载荷曲线如图6所示。

图6 位移—载荷曲线

通过上述图表分析，可知三通结构在逐步加载作用下，位移—载荷曲线趋于平缓和稳定。对于极限载荷的确定，常用的方法有切线交点压力法、两倍弹性斜率法、塑性失稳压力法等，其中切线交点压力法对塑性段切点的位置很敏感，不方便判断；塑性失稳压力法需要设置较小的分析增量，增加了分析成本和时间，而两倍弹性斜率法规定极限载荷是从坐标原点画出的一根线的截距，其斜率是载荷—位移曲线弹性段斜率的两倍，便于操作。

根据两倍弹性斜率法确定极限载荷值为83.8 MPa，考虑设计因子1.5，故设计极限载荷为55.87 MPa，设计压力35 MPa满足设计极限载荷要求。

4 结论

通过上述弹性应力法和极限载荷法的分析可知，三通接头的设计满足实际工况要求，另外极限载荷法对弹性应力法给予了合理补充，避免了弹性应力法中应力分类不彻底的困扰，并能快速有效地评定结构强度。同时，在三通接头设计过程中，应考虑弹性应力分析将相贯线处路径的应力分类结果PL+Pb值限于1.5S与3S之间，保证设计不至于过于保守，再由极限载荷法判定其承载能力，并根据设计需求调整设计因子，为设计出既经济合理，又安全可靠的三通接头提供了有效依据。