بررسي انباشتگي كرنش در اثر ممانهاي ديناميكي خارج از صفحه در لوله هاي زانويي تحت فشار از جنس فولاد كربني

Study on strain accumulation of carbon Steel pressurized piping elbows under dynamic out-of-plane bendings

در اين مقاله، با استفاده از مدل سخت شوندگي سينماتيكي غيرخطي رفتار تغيير شكل هاي پيش‌رونده در لوله هاي زانويي از جنس فولاد كربني تحت شرايط فشار داخلي ثابت و ممان ديناميكي خارج از صفحه در فركانس هاي مشابه اثرات زلزله مورد بررسي عددي قرار گرفته است. زانويي ها داراي قطر خارجي 3/60 ميلي متر و ضخامت هاي 91/3 و 54/5 ميلي متر بوده و براي هر ضخامت دو شعاع خم هندسي (بلند و كوتاه) در نظر گرفته شده است. اثر ممان خمشي خارج از صفحه اعمال شده در يك انتهاي 90 درجه زانويي بوسيله يك ممان پيچشي خالص در انتهاي ديگر آن اعمال مي‌شود. تجزيه و تحليل سه بعدي الاستيك و پلاستيك براساس مدل سخت شوندگي سينماتيكي آرمسترانگ- فردريك جهت بررسي رفتار تغيير شكل هاي پيش‌رونده انجام شده است. نرخ كرنش هاي پيش رونده در سيكل هاي اوليه خيلي بيشتر بوده و با افزايش زمان كاهش مي‌يابد. اگر چه كرنش‌هاي جمع شونده در جهت محوري مشاهده نمي‌شود لكن جهت حداكثر كرنش‌هاي پيش‌رونده در امتدا محور محيطي مشاهده مي‌شود. همچنين مدل آرمسترانگ- فردريك در پيش بيني كرنش هاي پيش رونده در ممان هاي پايين به نتايج تجربي نزديك و در ممان هاي بالا نتايج بدست آمده از روش عددي فراتخمين مي باشد.

In this paper, using the Armstrong-Frederick nonlinear kinematic hardening model, the ratcheting behavior of carbon steel piping elbows is described under conditions of steady internal pressure and dynamic moments out-of-plane at frequencies typical of seismic excitations. The elbows had an outside diameter of 60.3 mm and thicknesses of 3.91 and 5.54 mm. For each thickness two bend radius geometries (long and short) were studied. A pure out-of-plane bending moment applied at one end of a 90° welding elbow is reacted by a purely torsional moment at the other end. Three-dimensional elastic-plastic analyses by Armstrong-Frederick nonlinear kinematic hardening model are carried out to evaluate structural ratcheting behaviors. Initially, the rate of ratcheting is high and then decreases with the increasing cycles. While there is practically no strain accumulation in the axial direction, the direction of highest ratcheting is along the hoop direction. The cyclic strain accumulation against response moment for each component is assessed. By Armstrong-Frederick model, the predicted ratcheting of low moments is near to the experimental results, while for the high moment, this model will over-predict the ratcheting strain.