管道运输具有节约土地资源、减少环境污染、安全可靠等诸多优势,因此成为我国应用最为广泛的物资运输方式之一。为了减少管道泄漏事故的发生,国内外学者对管道泄漏事故的发生原因进行了大量的研究,发现管道接头处是管道的最薄弱之处。传统的焊接、法兰连接等连接方式,都存在着某些弊端;而形状记忆合金管道连接件具有形状记忆效应、抗腐蚀性强、刚度大等优点,因此可以减少管道泄漏事故的发生。目前,国内外学者对形状记忆合金管道连接件的研究已经取得了一定的成果,但是仍然有很多相关的问题需要进一步研究,从而深入探究形状记忆合金管道连接件的功能及特性。本文的主要研究内容和研究结论如下所述。(1)详细介绍了各种传统管道连接方式的优缺点、形状记忆合金的特性、形状记忆合金的应用领域以及形状记忆合金管道连接件的发展现状。(2)归纳总结了目前被国内外学者广泛应用的几种形状记忆合金本构模型,包括Tanaka 模型、Liang-Rogers 模型、Brinson 模型、Ivshin-Pence 模型、Graesser 模型以及Landau-Devonshire模型,并综合分析了各本构模型的优缺点;同时选取了优点较多且方便使用的Brinson模型作为本文数值模拟所采用的形状记忆合金本构模型。(3)设计了形状记忆合金管道连接件的轴向拉拔试验,通过该试验检验Fe基形状记忆合金管道连接件的适用性;探索是否经过加热训练、与被连接钢管之间的配合间隙对Fe基形状记忆合金管道连接件连接性能的影响规律。得到了:与被连接钢管之间的配合间隙较小,并且经过加热训练的Fe基形状记忆合金管道连接件的连接性能较好。(4)采用有限元分析软件ABAQUS建立Fe基形状记忆合金管道连接件和被连接钢管的有限元模型,通过编程软件FORTRAN将形状记忆合金的Brinson模型编写成可执行程序并通过ABAQUS的子程序UMAT将所编写的程序接入ABAQUS中。首先建立了与轴向拉拔试验中试件3完全相同的数值模型,模拟了 Fe基形状记忆合金管道连接件的低温扩径、升温回复变形以及轴向拉拔的过程;然后将数值模拟计算结果与轴向拉拔试验数据进行对比分析,进而验证了数值模型的正确性。数值模拟计算结果表明:Fe基形状记忆合金管道连接件的Mises应力沿轴向从中间向两端逐渐增加,边缘处已经处于屈服状态。因此,在设计Fe基形状记忆合金管道连接件时,可以适当削弱其边缘处的厚度,以降低该处的应力。被连接钢管的Mises应力沿轴向从加载端向自由端(自由端处于Fe基形状记忆合金管道连接件的包覆状态,其环向应力和径向应力较大)逐渐增大,最大Mises应力已经很接近304钢材的屈服应力,若被连接钢管长期处于该状态下,很容易发生破坏。所以,在实际应用过程中,可以将Fe基形状记忆合金管道连接件的长度适当延长并减少其厚度,进而延长被连接钢管的使用寿命。减少Fe基形状记忆合金管道连接件的厚度是为了降低被连接钢管的环向应力和径向应力;增加Fe基形状记忆合金管道连接件的长度是为了通过增加接触面积以保证连接性能。(5)通过改变模型中Fe基形状记忆合金管道连接件的各项参数,探索了形状记忆合金管道连接件与被连接钢管之间的配合间隙、形状记忆合金管道连接件厚度、形状记忆合金管道连接件长度等因素对其连接性能的影响规律。研究结果表明:随着Fe基形状记忆合金管道连接件与被连接钢管之间的配合间隙的增大,拉脱力随之减小。在一定范围内增加Fe基形状记忆合金管道连接件的壁厚,对提高其连接性能有很大帮助;但是超出这个范围以后,连接件的壁厚对其连接性能的影响程度会随之降低;而且过厚的壁厚往往会导致被连接钢管出现屈服现象,从而发生泄漏等现象。Fe基形状记忆合金管道连接件的紧固力随着其长度的增加而增加,但增长率会逐渐减小。本研究旨在为形状记忆合金管道连接件设计标准提供理论依据,以将形状记忆合金管道连接件推广应用于输油、气管道领域,使之代替传统的焊接连接方式与法兰连接方式。