摘要]风洞试验设备承受交变载荷。本文借助CAESAR II对设备进气管线进行了应力分析，确定应力最大值（疲劳点）发生在 焊制异径三通开孔部位。使用有限元软件ANSYS对大开孔结构进行了模拟计算，依据JB 4732进行了疲劳评定。通过对比两者的计 算结果认为，CAESAR II和ANSYS两种软件在对大型管系进行应力分析和疲劳评定时作用不同。
[关键词]风洞设备；交变载荷；异径三通；CAESAR II； ANSYS；大开孔；疲劳评定
风洞试验设备是进行空气动力实验的高效 工具。伴随着试验的启动与停止，设备经历了充 压、泄压全过程，是典型承受交变载荷的设备。 因此，在设计设备进气管线时，除满足强度及柔 性要求外，还应重点进行疲劳评定，从而保证系
统的安全可靠性。据不完全统计，压力容器与管 道的失效事故中疲劳失效约占30%左右[1]。
1进气管线设计条件
进气管线设计条件见表1，管道规格及材料性 能见表2，交变载荷波动见图1。
表1设计条件表
压力/MPa 温度/°c 设计使用年限（设计许用循环 次数） 介质 腐蚀裕量/mm
设计 工作 设计 工作
图1交变载荷波动示意图
2进气管线应力分析
CAESAR II管道应力分析软件是由美国
COADE公司研发的以梁单元为基础的有限元分析 程序，可用于分析大型管系。本文借助该软件建 立模型，从整体角度对风洞设备进气管线进行了 详细的应力分析。
2.1管系模型
由于大直径管线（特别是薄壁管线）在受 到外力作用时，其横截面（尤其是弯头和三通位 置）会发生椭圆化，从而影响该处柔性系数和应 力增大系数的计算。根据文献[2]中的解释：对于 D/t< 100的管线，可近似认为弯头和三通等位置
截面在外力作用下椭圆化倾向不大，仍可利用 CAESAR II进行计算。
定义材料特性时，输入设计疲劳曲线。为了 保证计算结果的准确性，将管端封头及其他附件 重量以集中力方式施加到相应节点之上[3]。管系模 型及载荷边界条件见图2。
2.2结果评定
管系是一个弹塑性结构，根据施加载荷的不 同，分别将应力限制在各自许用的范围之内。分 析完毕，查看以下结果：
(1)提取安装工况（SUS工况）和膨胀工况 (EXP工况）下的应力计算值。其中，SUS工况主
图2管系模型及载荷边界条件
要校核管系中的一次应力，而EXP工况则校核二 次应力。安装工况及膨胀工况下的最大应力值参 见表3。
表3安装及膨胀工况下应力最大值
应力类型 安装工况/MPa 膨胀工况/MPa 所在位置
最大弹性名义应力 49.8 70.12 三通支管开孔处
(2)提取疲劳工况下的最小允许循环次数， 与设计许用循环次数相比来计算累计损伤系数， 如果此值小于1.0，则疲劳评定合格。通过计算可 知，管线最小允许循环次数为3627119，远大于设 计许用循环次数，故疲劳评定合格。
(3)提取安装和操作工况下的约束及位移报 告，为支架设计等提供依据。
3疲劳评定
通过上述计算，仅能得到整体管线中的应 力分布状况，无法详细评价大开孔焊制异径三通 (开孔率0.9)的强度及疲劳性能。目前，国际上 主要的圆筒大开孔常规补强计算方法有德国压力 面积法和美国ASME法，但两者均有遗漏之处[4]。
本文借助全国锅炉压力容器标准化技术委员 会认证的通用有限元软件ANSYS，采用分析设计 方法对该局部结构进行应力校核和疲劳评定。
3.1有限元模型
根据异径三通的广义轴对称性以及载荷、约 束的对称性，取环向1/4 (90 ° )、轴向1/2、以有 效厚度建立模型，并分别在主管和支管端部建立 大于应力集中衰减长度的直管段。采用高阶3维20 节点结构单元SOLID 186对模型进行网格划分。模 型和单元划分见图3及图4。
3.2载荷与位移边界条件
模型载荷与位移边界条件如图5所示。
图3异径三通模型图
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图4模型单元划分图
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(1)设计（工作）工况下，在异径三通内表 面施加设计（工作）压力；
(2)在远离结构不连续的两端施加固定约 束，约束三个方向位移为0，UX、UY、UZ=0；
(3)在所有对称面上施加对称位移约束。
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图5载荷与位移边界条件图
3.3 FEA计算结果
计算完毕，利用ANSYS自带的误差分析进行 误差评估，保证误差在10%以内。
大开孔焊制异径三通在设计及工作工况下的 应力强度分布云图如图6、图7。
3.4应力校核
应力分析设计方法，简称分析设计，是一个 基于弹性应力分析和塑性失效准则的设计方法' 而应力等效线性化处理则是对有限元应力分析结 果进行分类的一个重要环节。通过等效线性化， 将应力分解成沿壁厚均匀分布、线性分布和非线 性分布的三个部分。
一般情况下，应力线性化路径的选取原则 为:通过应力强度最大值节点穿透壁厚最短方向 选定路径；对于相对高应力强度区域沿壁厚方向 设定路径[1]。
遵循JB4732-1995《钢制压力容器一分析设计 标准》（2005年确认）中强度分析设计法：
一次总体薄膜应力强度SdKSmS 一次局部薄膜应力强度SnSUKSmt;
一次薄膜加一次弯曲应力强度SISUKSmt; 一次加二次应力强度SivS3.0KSmt;
通过应力校核，大开孔焊制异径三通满足强
图6设计工况下应力强度分布云图
图7工作工况下应力强度分布云图-
度要求。
3.5疲劳评定
疲劳分析以应力分析为基础，在结构一次应 力强度和一次加二次应力强度分别满足限制条件 的前提下才能进行。其方法主要有三种，即基于 实验的疲劳设计、以断裂力学为基础的疲劳设计 和采用设计疲劳曲线的疲劳设计。
压力容器与压力管道的低周高应变疲劳破坏 多发生在结构不连续区域。当此处的最大弹性名 义应力大于材料屈服极限的两倍时，结构处于不 安定状态，加之峰值应力的存在，可能会萌生裂 纹并扩展，最终导致疲劳破坏。
本文根据JB4732-1995《钢制压力容器一分析 设计标准》（2005年确认）附录C的有关规定进行 疲劳评定，以确定结构承受预计循环载荷而不发 生疲劳破坏的能力。
