弯头作为供热直埋管道中的常用部件和薄弱环节,相关应力计算方法及强度验算准则一直是供热直埋技术领域亟待解决的问题之一。目前对于弯头的应力计算方法,比较普遍的是采用弹性抗弯铰解析法。同时,考虑到弹性抗弯铰解析法对于管径及臂长的限制条件,国内设计院与研究人员进行了大胆的尝试与研究。结果表明弹性抗弯铰解析法可以应用于大口径直埋弯头的应力计算,但针对管网定线过程中出现的小于弹性臂长弯头应力计算,国内外学者对此鲜有涉猎。针对这一现状,本文利用有限元模拟的方法,给出了小于弹性臂长弯头的应力计算方法,分析了曲率半径、膨胀垫厚度对供热直埋弯头受力大小的影响与变化规律。本文所做的工作现简述如下:第一章阐述本课题的研究背景与研究意义,通过对目前供热直埋弯头领域研究现状的介绍与分析,简要阐述本课题的研究方法与研究内容。第二章通过分析供热直埋管道上的各种荷载作用及其特点,对管道应力及其可能出现的失效方式进行分类,明确指出的塑性变形及低循环疲劳破坏是弯头的两种主要失效形式。第三章针对弯头的两种主要失效形式,分析比较了国内外关于弯头无限塑性变形与低循环疲劳破坏的应力计算方法。采用最大剪应力强度理论,推导出弯头理论壁厚计算方法,同时对欧洲规程中的理论壁厚计算方法进行介绍,通过比较可以发现国内外对于弯头理论壁厚计算公式基本一致。通过对弹性抗弯铰解析法模型假设及计算方法进行介绍,进一步明确了其适用条件。针对计算方法中对于管径的限制条件,综合考虑了简化压力荷载对弯头应力计算结果的影响,通过计算表明在满足弹性臂长要求前提下,弹性抗弯铰解析法同样可以适用于大管径供热直埋弯头的应力计算。通过对欧洲规程的介绍,采用帕尔姆格林——米纳公式与S——N曲线计算出弯头临界应力大小,从而可以直接判断出弯头是否满足低循环疲劳破坏的安全性要求。第四章利用ANSYS有限元分析软件,通过对小于弹性臂长的弯管局部薄壁壳体模型施加位移荷载、温度荷载、压力荷载,得出位移荷载可以代替温度荷载的作用,控制弯头两臂位移荷载之和一定弯头应力大小相等,弯头单侧位移荷载大小与弯头应力呈线性关系,弯头应力满足内压荷载与位移荷载(温度荷载)模拟结果的线性叠加关系等结论。通过给出不同管径弯头短臂侧臂长对应的小于弹性臂长值与单位位移荷载的当量应力值关系,给出了小于弹性臂长弯头应力计算公式。通过模拟曲率半径、膨胀垫厚度对弯头应力的影响表明:增加膨胀垫厚度对弯头应力计算结果影响不大,在小于弹性臂长(Le)侧管长值在0.3-0.5Le的情况下甚至出现相反的效果,增加弯头曲率半径则可以作为减小弯头应力的一种方法。第五章针对本文提出的算法,引入两个工程实例。证明本文模型建立及荷载施加方法正确,给出的小于弹性臂长弯头应力计算方法合理可靠。第六章将本文的研究成果进行总结归纳,提出今后研究工作的方向。