多層組合超高壓容器的殘余應(yīng)力分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì).pdf

1、隨著超高壓技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，需要壓力容器在超高壓力、高溫、腐蝕等苛刻條件下工作，這對(duì)超高壓容器的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和材料等都提出了更嚴(yán)格的要求，為保證容器安全可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行，研究組合超高壓容器具有重要的意義。本文主要研究了超高壓容器的爆破壓力預(yù)測(cè)、多層縮套容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮套與自增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合的雙層組合容器的殘余應(yīng)力計(jì)算以及剖分式三層組合超高壓容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體研究成果如下：
　　 (1)采用BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)原理，以影響容器爆破壓力的

2、4個(gè)主要參數(shù)為網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)，建立了預(yù)測(cè)超高壓容器爆破壓力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)際的驗(yàn)證與對(duì)比結(jié)果表明，建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)超高壓筒形容器的爆破壓力。這種方法不用研究結(jié)構(gòu)加載歷史，只關(guān)心結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的承載能力，避開(kāi)了解決塑性問(wèn)題遇到的難點(diǎn)，為超高壓容器的設(shè)計(jì)提供了一條先進(jìn)、合理的途徑。
　　 (2)研究了不同材料制成的多層縮套簡(jiǎn)體的強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。用厚壁筒的彈性理論及等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，以最大剪應(yīng)力理論為強(qiáng)度條件

3、，以總徑比(筒體的外徑與內(nèi)徑之比)為約束，以各層徑比為設(shè)計(jì)變量，以彈性承壓能力最大為目標(biāo)建立了多層容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用Lagrange乘子法優(yōu)化算法得到了各層最優(yōu)徑比計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了最優(yōu)縮套壓力及最優(yōu)過(guò)盈量公式。過(guò)盈量精確解的給出，避免了使用當(dāng)量彈性模量計(jì)算的誤差，保證了裝配后的容器具有最適宜的周向殘余應(yīng)力，不僅提高了容器的承壓能力而且提高了容器的安全性。
　　 (3)基于混合雙線性材料模型，使用有限元軟件AN

4、SYS的APDL語(yǔ)言建立了厚壁筒的自增強(qiáng)殘余應(yīng)力計(jì)算參數(shù)化模型。利用該模型研究了材料卸載應(yīng)變硬化系數(shù)Et2對(duì)殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：Et2只影響反向屈服區(qū)的殘余應(yīng)力分布，隨著Et2的增大，筒壁的最大殘余壓應(yīng)力由反向屈服半徑處移動(dòng)到內(nèi)壁。這為自增強(qiáng)厚壁筒是否可發(fā)生反向屈服提供了判斷依據(jù)。
　　 (4)基于材料實(shí)際拉/壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究了內(nèi)外筒分別進(jìn)行自增強(qiáng)處理后再進(jìn)行縮套的雙層筒殘余應(yīng)力。在分析內(nèi)外筒載荷歷史的基礎(chǔ)上，將內(nèi)筒

5、的自增強(qiáng)卸載和縮套效應(yīng)同時(shí)考慮，給出了內(nèi)外筒殘余應(yīng)力的精確解析解。將解析解與有限元仿真值進(jìn)行對(duì)比，兩者結(jié)果吻合。討論了縮套壓力對(duì)內(nèi)外筒殘余應(yīng)力的影響、操作壓力與最優(yōu)超應(yīng)變百分比的關(guān)系。
　　 (5)考慮縮套殘余應(yīng)力的影響，研究了雙層縮套厚壁筒自增強(qiáng)殘余應(yīng)力問(wèn)題。首先采用有限元增廣拉格朗日接觸算法，基于ANSYS平臺(tái)，使用APDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了雙層縮套筒參數(shù)化接觸模型。利用該模型分析了主要參數(shù)縮套過(guò)盈量與縮套半徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律以

6、及對(duì)最大彈性承壓能力的影響。首次推導(dǎo)出了基于理想彈塑性材料力學(xué)模型的雙層縮套筒殘余應(yīng)力解析解。將本文的有限元分析值與解析解進(jìn)行比較，在屈服區(qū)結(jié)果一致，而在彈性區(qū)略有差別。
　　 (6)研究了內(nèi)層為剖分層，外層為自增強(qiáng)后縮套的雙層整體筒組合超高壓容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以等強(qiáng)度理論為設(shè)計(jì)原則，以強(qiáng)度失效準(zhǔn)則為約束，整體壁厚最小為目標(biāo)，各層外徑、中層和外層自增強(qiáng)屈服半徑及層間縮套壓力為設(shè)計(jì)變量，建立了該類剖分式組合容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。最后用