外压标准设计曲线及有限元应用的研究

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外压容器广泛应用于各行各业,其中失稳失效是外压容器主要的失效模式之一。标准中的设计方法大多采用规则设计方法,近几年,随着数值模拟计算技术的进步,人们开始考虑采用有限元等数值模拟计算方法进行外压容器的设计计算,为此,本文就外压圆筒失稳所涉及的问题展开了深入的分析与讨论。首先关注的是标准中外压设计曲线的公式化问题。本文分析了新版标准ASMEVIII-2-2010《Alternative Rules-Rules for Construction of Pressure Vessels》中的MPC模型、API579-1/ASME FFS-1《Fitness-For-Service》中5参数的Ramberg-Osgood模型,计算了几种典型材料(SA-283A、SA-283C、304、304L)的切线弹性模量,与ASME VIII-1-2010《Rules for Construction of Pressure Vessels》外压设计曲线所得切线弹性模量进行比较,结果表明,对同种材料,在非线性弹性范围内, ASME VIII-2-2010中的MPC模型所得的切线弹性模量较ASME VIII-1-2010外压设计曲线所得小。同时,通过实验得出目前我国压力容器用钢Q345R应力-应变曲线和经典Ramberg-Osgood模型拟合后的切线模量,经比较,ASME VIII-2-2010中的MPC模型和API579-1的5参数的Ramberg-Osgood模型所得切线弹性模量比试验拟合小,是偏于安全的。采用经典Ramberg-Osgood模型直接进行曲线拟合,得出与实测结果更吻合的表达式,探讨我国压力容器标准中外压设计曲线的公式化问题。针对弹性范围内失稳的外压圆筒,采用ANSYS软件特征值屈曲分析方法对其进行稳定性分析,并将分析结果与目前常见的理论计算公式、设计标准算图进行对比分析。结果表明:采用壳单元Shell181,ANSYS软件中特征值法(LBA)所得结果与Mises公式吻合较好,且与标准中外压几何参数算图中的数据基本一致。弹性失稳分析时,边界条件的设置对临界失稳压力的计算值有较大影响,固支边界条件下的临界失稳压力计算值大于简支边界条件。本文进一步讨论了采用ANSYS软件的非线性屈曲分析方法对外压圆筒进行稳定性分析,重点分析了按特征值一阶屈曲模态施加初始缺陷对计算结果的影响。结果表明:初始缺陷比例系数对临界屈曲压力有明显的影响,缺陷比例系数越大,临界屈曲应力降低越大;固支边界使圆柱壳对缺陷的敏感性降低;对不同的L/Do值,取相同的初始缺陷比例系数并不能得到一致的结果,因此在实际圆柱壳的非线性分析中不宜对所有模型都取相同的初始缺陷比例系数。本文工作难免还有不足和纰漏,在后续工作中,还需对ASME VIII-2考虑应变强化效应的材料应力-应变关系的理论基础做进一步的研究和分析;还需对更多尺寸范围的圆柱壳模型进行ANSYS特征值和非线性稳定性分析,以提高所得结论的普适性。
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