超高壓彎管在超高壓設備中得到廣泛的應用，與直管相比，彎管具有獨特的結構特點，現有直管的理論和薄壁彎管理論滿足不了超高壓彎管的設計和評估的需要，因而需要對超高壓彎管的力學行為進行必要的探討。因此，本書采用有限元分析方法，在對受內壓作用無缺陷超高壓彎管的彈塑性分析的基礎上，進行超高壓彎管的超應變研究。

一、主要結論

 本書以工業上常用的90°超高壓彎管為研究對象，采用ANSYS軟件，進行超高壓彎管在單一內壓作用下的彈塑性有限元分析，并研究了超高壓彎管的最佳超應變內壓。研究中取得的主要成果和結論如下：

 1. 確定了超高壓彎管的有限元計算模型，編制出了適合本課題需要的超高壓彎管彈塑性分析的有限元前處理程序，不僅實現了在較大范圍內改變參數設置（包括彎管內外徑、壁厚、彎曲半徑），還實現了根據尺寸的變化自動調整網格疏密的智能單元劃分功能。按照此方法建立的有限元模型對薄壁彎管進行計算并與薄壁彎管的理論計算結果相比較發現近似程度很好，其計算誤差在1%以內。因而確定可以用這種建立模型的方法去對超高壓彎管進行有限元分析。

  通過試算確定彎管的內側內壁為整個結構的危險點，是彈塑性分析和自增強分析的重點關注對象。

 2. 對超高壓彎管進行彈性有限元的分析表明，在R/D相同的情況下，超高壓彎管的內壁面上的周向應力有這一規律與薄壁彎管相一致。而在超高壓彎管內壁的中心線上的周向應力可以認為與直管的周向應力相等，其誤差不超過1%.并且超高壓彎管內側內壁的周向應力隨R/D的增大而逐漸減小，在R/D≥10時可以近似認為C點的周向應力值等于直管的周向應力值，其誤差不超過1%.因而，對于在R/D≥10的超高壓彎管可以應用直管的相關理論進行分析處理。

 3. 對規格為Dxt=78mmx22mm,R=3D的超高壓彎管的極限載荷分析表明：在K和RID保持不變的情況下，超高壓彎管的極限載荷與其外直徑D無關，而影響其極限載荷最大的因素是K的大小，K越大其極限載荷也越高，因而在工程中可以考慮增大K值來達到提高超高壓彎管的極限承載能力的目的。但是，同時還應當考慮到R/D的影響，當R/D較小時，說明超高壓彎管的彎曲程度大，其極限載荷也較小，而當彎管的相對彎曲半徑較大時，其極限載荷也隨著增大。當R/D大于10時，超高壓彎管的極限載荷可以用直管的計算公式計算。對于R/D≤5,1.2≤K≤2.3的超高壓彎管，其極限載荷近似計算式可用公式（4-5)來表達。

 4. 通過對規格為Dxt=78mmx22mm,R=3D的超高壓彎管的彈塑性分析可以知道，超高壓彎管的內側內壁的應力及殘余應力最大，而在超高壓彎管的幾何中心線處的應力及殘余應力和直管的相等，這和彈塑性應力分析的結果是一致的。

 5. 超高壓彎管的失效形式有靜強度失效和疲勞失效兩種，針對這一情況，分別分析了規格為Dxt=78mmx22mm,R=3D的超高壓彎管基于靜強度和基于疲勞強度失效的最佳超應變壓力。分析結果表明通過超應變處理可以使超高壓彎管的靜強度和疲勞強度得到很大的提高，針對實際存在殘余應力的松弛這一現象，分析了考慮殘余應力有50%的松弛時的最佳超應變壓力。結果表明，對于以靜強度失效為主的超高壓彎管，在考慮殘余應力的松弛時，其超應變處理所需要的內壓高于不考慮殘殘余應力的松弛的情況。而對以疲勞強度失效為主的超高壓彎管，在考慮殘余應力的松弛時，其危險點的等效相當應力幅降低程度要小，但是其最佳的超應變內壓仍然由處理時的極限強度所確定。因而，對于以疲勞強度失效為主的超高壓彎管在進行超應變處理時，考慮到安全因素，處理的內壓不能使其危險點的應力超過材料的強度極限，并應該有一定的安全儲備。

 6. 含裂紋結構的有限元模擬分析實際上就是對真實的含裂紋結構進行合理簡化后的數值模擬分析，能否快速計算并得到準確結果取決于有限元建模方法是否便捷和分析方法是否合理。本書在參考其他裂紋形式建模思路的基礎上，通過多種建模方法的嘗試，發展了一套較適合含半橢圓裂紋這種裂紋形式彎管的有限元建模方法，其最大特點是能夠自動完成奇異單元的創建，省去了手工生成奇異單元的繁瑣。該方法除可以用于彎管建模外，還可以適用于其他含半橢圓裂紋結構形式的建模，例如直管、圓柱、平板等，可以說適用范圍較廣。分析方法上則綜合考慮了材料本構關系、單元類型選取、網格劃分疏密、邊界條件設置、加載方法選擇以及非線性求解設定等因素對求解計算的影響，最終利用建立起的有限元模型并加以驗證后來完成后續的計算工作。

 7. 在內壓荷載作用下，通過對含半橢圓裂紋厚壁彎管與光滑彎管的比對分析，發現兩者的等效應力場分布有很大不同。光滑彎管內側內壁面的Mises 應力最大，其他區域應力分布不均勻，而含裂紋彎管在裂紋自由表面處 Mises 應力最大，并且由于裂紋的存在，彎管的應力發生重分布，其他區域應力趨向一致；在閉合彎矩荷載作用下，光滑彎管內側外壁面的Mises應力最大，發生在這一位置的裂紋是最危險的。

 8. 在內壓和彎矩兩種荷載作用下分別求得了各自的應力強度因子KI,并研究了其隨影響參數的變化規律。在內壓荷載作用下，隨著裂紋深度（c/t)越深、徑比（R./R;)越小、內壓（Pi)越高、彎曲半徑比（k)越小，應力強度因子K越大，裂紋形狀比（c/a)的影響規律則隨裂紋角度位置不同而不同，在40度位置處 K1大小基本相同；在閉合矩荷載作用下，隨著裂紋形狀比（c/a)越小、徑比（R./Ri)越大、彎矩（M.)越高、彎曲半徑比（k)越小，應力強度因子K1越大，裂紋深度（c/t)的影響規律則隨裂紋角度位置不同而不同，在40度位置處KI大小基本相同。

 9. 僅在內壓荷載作用下研究了含半橢圓裂紋厚壁彎管的塑性區發展規律及失效模式。發現在初始內壓作用下，裂紋自由面附近區域首先局部屈服但不會形成塑性鉸，隨著內壓荷載繼續增大，應力應變發生重分布，裂紋自由面不再是最大應力出現的位置，同時塑性區沿著內表面軸向發展較快，沿著壁厚方向擴展較慢。當內壓達到極限狀態時，彎管內表面完全屈服，塑性區穿透內側壁厚導致彎管失效，失效模式為整體破壞。

 10. 僅在內壓荷載下計算了含半橢圓裂紋厚壁彎管的塑性極限荷載并研究了其隨影響參數的變化規律。得到了彎曲半徑比（k)越小、徑比（R./R;)越大、裂紋深度（clt)越淺、裂紋形狀比（c/a)越大時極限荷載PL越大的結論。同時分析了與彎管相連的直管段無量綱長度對極限荷載的影響，發現與以上四個參數相比，L/D參數的影響可以忽略不計。

二、展望和建議

 本書僅對超高壓彎管和含半橢圓裂紋的彎管進行了一定深度和廣度的研究，得出了一些有益的結論。但由于研究時間和條件的限制，本書工作還不完善，仍有許多問題有待于進一步的研究。

 1. 超高壓彎管在各種載荷形式下的力學性能研究。由于彎管中介質流動造成彎管結構的荷載變化很大，彎管的受力非常復雜，同時介質對管壁有一定的腐蝕，因此需要全面評定彎管的受力性能。

 2. 有限元模型參數化建模的參數cla使用有一定范圍限制，對較扁的橢圓建模會出現不穩定現象，如何克服這一困難需要進一步研究。

 3. 本書假定采用的厚壁彎管是壁厚均勻的，實際的彎管結構由于受到制作工藝局限的影響，管壁往往是厚度不均勻的，且有截面橢圓化、凸邊管壁受拉減薄、凹邊管壁受壓起皺等問題，這在有限元分析中是不能完全考慮的，因此計算模型可能存在一定程度的偏差。

 4. 實際彎管結構中所含的裂紋數目可能不止一條，多條半橢圓裂紋存在時對彎管的影響情況值得進一步分析研究。

 5. 彎管制造工藝復雜，所含缺陷種類較多，本書只針對表面缺陷情況之一的半橢圓裂紋展開研究，對于其他類型的面陷及體缺陷，還須進一步研究其對彎管的影響。