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含凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器的安全评定以及 疲劳寿命的数值模拟研究 摘要 存在凹坑缺陷的压力容器，在凹坑处由于几何形状发生突变从而产生 应力集中，对压力容器使用安全性和使用寿命都会产生一定的影响。基于 以上考虑，本文对含凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器进行了以下几方面的研 塞 7 lo 首先，选取不同情况下不同尺寸的凹坑，由于凹坑的存在，根据 g b t 1 9 6 2 4 2 0 0 4 含缺陷压力容器安全评定的要求，需要对所取的凹坑 中满足g 0 o 1 的凹坑进行了安全评定。评定结果表明：所存在于压力容器 上的凹坑缺陷都在安全评定的允许范围之内。 其次，由于疲劳分析是建立在有限元静力分析的基础之上的，因此利 用m s c p a t r a i l 有限元分析软件对存在于容器上的不同种类的凹坑进行静力 分析，得到应力云图，并且使用e x c e l 对分析结果进行多元回归分析，得到 多元回归方程。回归结果表明：最大主应力和应力集中系数都是随着z 6 。的 增大呈幂函数增加的，而随着叫尺6 。的增加呈幂函数减小的。 再次，根据静力分析结果，利用鹏4 7 3 2 中提供的疲劳设计曲线以及 m s c f a t i g u e 疲劳分析软件对存在于容器上的不同种类的凹坑进行疲劳全 寿命分析，并且使用e x c e l 进行多元回归分析，得到回归方程。结果表明： 利用疲劳分析曲线分析出来的疲劳寿命以及利用疲劳分析软件分析出来的 m s c 疲劳寿命都是随着z 6 。的增大成幂函数减小的，而随着叫两的增 加成幂函数增加的。 关键词：凹坑安全评定有限元疲劳 i l s a f e t ya s s e s s m e n tf o rf e a t h e r e d g e ds l e e v ep r e s s u r ev e s s e l c o n t alnin gpitd e f e c t sa n dr e s e a r c hf o rf a tig u elif e0 f n u m e rlc a lslm u l a tio n a b s t r a c t t h ep r e s s u r ev e s s e lc o n t a i l l i n gp i td e f e c t sb 血g ss t r e s sc o r l c e n t r a t i o na tm ep l a c eo fp i t b e c a u s eo fb r e a ko fg e o m e t r i c a lf i g u r e ，i tm a k e sac e r t a i l l 砌u e n c eo nt h es e c u r i t ) ，舡1 du s e d l i f eo f v e s s e l a c c o r d i n gt 0a b o v ec o i l s i d e r a t i o 玛c 哪恤go u tm ef o l l o 晰n gr e s e 锄c ha _ b o u t 吐l c p r e s s u r ev e s s e lc o n t a 面i i l gp i td e f - e c t s f i r s t l y ，c h 0 0 s i i l gp i t si 1 1 恤d i 彘r e n ts i t u a t i o n 孤dd i 彘r e md i r l l e i l s i o 玛。丽n gt 0c x i s t i n g p i t s ，a c c o r d i n gt 0r e q u e s to fg b 厂r l9 6 2 4 - 2 0 0 4s 乐够a s s e s s m e n tf o rp r e s s u r e v e s s e l s c o n t a i n i n gd e f e c t s ，n e e dc a n yt h r o u g hs a f e t ya s s e s s m e n tf o rt h ep i t sw k c hs a t i s 母g o 0 1 t h er e s u l t si i l d i c a t e 也a tr e s e a r c l l 】陬lp i t sa r ei nt l l ea l l o w a b l em g eo fs a f i e 锣嬲s e s s m e n t s e c c o n d l y ，f a t i g u ea i l a l y s i si sb 硒e do nm e 咖i c sa n a l y s i s ，s 0 ，m a k i n gu s eo ff i i l i t e e l e m e n ts o f h ) i ，a r em s c p a t mt 0c a r 巧t l l r o u g hs t a t i c s 锄m y s i sf o rt 1 1 ev e s s e l sw l l i c hc o n t a i n d i 位r e n tk 砌o fp i t s ，a i l dn l a 妇gu e so fe x c e lt 0c a 盯yn 鹏u 曲m u l t ia i l _ a l y s i s ，鲥n e d 吨 a r e g r e s s i v ef 0 曲u l a s n l er e s u l t s 砌i c a t e 帆a l o n g 谢t 1 1 龇疵r e a s eo f z 瓦，n 瞰曲a l p r i i l c i p a ls 协e s sa n d s t r e s sc o n c e n 仃a t i o nf - a c t o ra r ep o w e ri i l c r e a s e sa i l da l o n gw i t hn l ei n c r e 嬲e o f 纠r 6 。，m a ) 【i i n a lp r i l l c i p a ls n e s sa n d s 吮s sc o n c e 咖眦i o nf k t o ra r ep o w e rd e c r e a s e s 删l y a c c o r d m gt 0t h c 跏i c s 如以y s i s ，m a l 【i n gu s eo ff a t i g u ed e s i 印c u r v ci i l 鹏4 7 3 2 锄df a t i g u e 觚a l y s i ss 0 f h a r em s c f a t i g u et 0c 鲫眵m r o u 曲例g u el i f e a i l a l y s i sf o r 1 e v e s s e l s 砌c hc o n t a i l ld i 位r e 】吐k i n do fp i t s ，觚dm 越n gu e so fe x c e lt 0c 踟眵n 哟u 曲 n n d t i 锄a l y s i s ，g a i n e d i n ga r e g r e s s i v ef 0 衄u l a u s t h er e s u l t si n d i c a ：t et 1 1 a ta l o n g 诵t ht l l e 硫r e 嬲eo f z 疋，d e s i 弘f a t i g u cl i f ea n dm s c f a t i g u el 璇黜p o w e rd e c r e 髂e s 锄da l o n g 、访t l l t l l ei | l c r e a s eo f 叫r 6 。，d e s i 弘f a t i g u el i f ea i l dm s c f a t i g u el i f ea r ep o w e ri n c r e a s e s i i i k e yw o i s ：p i t ；s a f e t ) ，a s s e s s m e n t ；f i n i t ee l e m e n t ；f a t i g u e i v 符号说明 含义口 裂纹半长度 评定用壳体计算厚度 钢板的厚度负偏差 腐蚀余量 板的弯曲刚度 筒内径 回路r 上的弧元素 材料的弹性模量 综合描述凹坑缺陷尺寸的参数 厂积分 强度因子 应力场强度因子的临界值 应力集中系数 扭矩 周向拉力 薄膜剪力 设计压力 无凹坑缺陷壳体塑性极限载荷 带凹坑缺陷容器极限载荷 带凹坑缺陷容器最高容许工作压力 n n 玎m 呼a n m m n | 锄0 n | 咖0 您 位 m m m m 单 m m m m n n 胁 口u 、 褂 口 口 g q d 4 凼 e q j 墨 如 k m 以 p 凡 含义 横向剪力 平均半径 离裂纹末端的距离 作用在凼段面上的应力矢量 设计温度 形变功 弧元素任一点的位移矢量 泊松比 任意点g 。，x ：) 的应变能密度 规则化后椭球形凹坑在壳壁表面的椭圆 长轴尺寸的一半 规则化后椭球形凹坑在壳壁表面的椭圆 短轴尺寸的一半 凹坑的深度 垂直于壳面的压力 使裂纹扩展的临界应力 屈服强度 最大的局部弹性应力 名义的或平均的应力 最大的局部弹性应力 拉梅常数 裂纹尖端张开位移的临界值 名义厚度 2 单位 n n 皿 n m j n 皿 玎皿 一 一 一 胁 胁 胁 胁 胁 胁 号 蕾 啊 符 q r ， r ， u ” y 形 x y z 互 吼 允 & 瓦 符号 r p 了 9 g 国 含义 从裂纹下表面任一点开始按逆时针向围 绕裂尖到裂纹上表面任一点的积分路径 许用应力 焊缝系数 应变 角变形量 3 单位 m p a n 皿 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取 得的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一 署名单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含 其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的 内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明 确说明并致谢。 论文作者签名：钇目艽尝敖力矽序月f 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：细臌导师签名椭舻月厂日 广西大掌硕士掌位论文含凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器的毒套评定以及疲劳寿命的教值模拟研究 第一章绪论 随着科学技术的不断发展，对机械结构的设计提出了更多的要求。其主要目标无非 是减少产品的损坏率和提高产品的可靠性。但由于各种复杂的原因，往往会使我们的产 品存在着这样或那样的缺陷从而降低了产品的使用寿命和使用可靠性，凹坑就是众多缺 陷中典型的一种。在生产压力容器的行业中，对于未经卷板、处于原始状态的钢板，其 表面覆盖有热轧时形成的氧化铁皮，即使发现有凹坑，也是偶尔发现的。在卷板的过程 中，在卷板后及在钢管制作完成后和防腐前的搁置期间，可发现大量的凹坑，尤其是在 喷涂环氧沥青漆后，由于视觉的作用，凹坑更为明显，并且在设备的安装中，也会因为 操作的疏忽，使容器产生碰撞，也会产生凹坑。凹坑缺陷不但使局部受力断面减小，而 且还会影响防腐质量。尤其存在受到交变载荷作用的压力容器中，对于疲劳寿命必然有 一定的影响u j 。因此，g b 厂r1 9 6 2 4 2 0 0 4 含缺陷压力容器安全评定中，提出了一系列 详细的凹坑缺陷的评定标准，帮助我们来审核产品的质量。 对于疲劳寿命，不管是机械行业还是航空、石油、船舶、化工等行业，都是一直关 注的课题。各种由于疲劳引起的灾难性事故在容器、管道、桥梁、船舶、近海结构等工 程结构中屡见不鲜。正是因为这些，疲劳寿命的研究越来越受到广大学者的关注，希望 能够通过对疲劳断裂的机理的研究以及影响疲劳断裂的因素的研究，从而提出一系列的 预防疲劳断裂的方法和措施。 1 1 含缺陷压力容器的安全评定 1 1 1 含缺陷压力容器安全评定在国内外研究现状及水平简述 国外压力容器安全评定研究始于上世纪7 0 年代，它起源于核电站压力管道【2 】，一方 面由于核电站的安全性要求较高，另一方面核电站中的事故主要是压力管道的泄漏或爆 破【3 】。因此美、德、日等发达国家相继开展了压力管道的研究。 美国以管理委员会为领导，在b a 吮l l ec o l 眦b u sl a b 0 等研究机构参与下相继开展了 一系列研究。进入上世纪8 0 年代后，相继完成了“退化管研究计划【3 】和“管道与管道 焊缝中短裂纹研究计划 降5 1 。这为制定a s m e 规范第v i 篇，打下了一定基础。美国 电力研究院( e p ) 完成的一系列研究已使j 积分理论走向工业化，并已成熟地用于焊 接结构中缺陷的安全评定睁。刀。 世界上第一部以断裂理论为基础的压力容器缺陷评定标准，是1 9 7 1 年美国公布的 a s m e 锅炉压力容器规范第1 i i 卷附录g 及第卷附录a 【7 。3 】。德国压力管道的研 究是在德国核反应堆安全委员会组织下，以国立材料研究所为代表，分析研究了核电站 管道事故的起因，事故发生的位置及管道失效形式，制订并开展了一系列研究计划，然 后提出了基本安全概念和防止断裂评定概念，这己成为德国压力管道安全评定的指导性 4 广西大学硕士掌位论文含凹萄口央陷薄壁圆筒形压力容器的圣摒定以及疲劳寿百步的数值模拟研究 文件【9 】。日本、法国和意大利等国也开展了广泛的试验研究。 我国压力容器安全评定的研究工作起步较晚，但近年来引起了人们的高度重视。由 于我国有较扎实的断裂力学的理论基础，又有国外大量的研究成果可以借鉴，因此起步 水平较高，发展较快【1 m 1 1 1 ，根据我国情况，其发展可从下面几方面深入【1 2 】。 ( 1 ) 国产化：就是根据我国的情况来制订研究计划。主要是面对石油、化工及民 用工程( 如城市煤气等) 中管道的研究。 ( 2 ) 工程化：由于安全评定的理论基础是断裂力学，而对于它的使用需要使用者 具备专门的断裂力学知识，在工程应用中受到了较大的限制，因此含缺陷压力容器安全 评定的工程应用研究是当前的首要任务。目前对于工程化的研究中取得比较好的效果的 是对于含缺陷压力管道完整性安全评定的研究，由于工程中的最终目的是确定含裂纹压 力管道的极限承载能力，因此，有些研究者从材料力学和塑性力学出发，根据净截面应 力准则，结合大量试验数据，提出了含缺陷压力管道极限承载能力的计算方法【1 3 1 。这种 方法除使得评定方法更简便、更适合于工程应用外，更值得指出的是，从工程实际出发 开展研究，得出更符合工程实际情况的结论。 ( 3 ) 智能化：随着计算机应用的逐步普及，智能化必然成为含缺陷压力容器安全 评定的发展方向，南京化工大学化工机械研究所开展了这方面的尝试，编制了“含焊接 缺陷结构疲劳可靠性评定的专家系统 【1 4 】应用人工神经网络理论，编制了计算机程序， 用于管道疲劳寿命及承受弯矩能力的评定【1 5 1 ，到上世纪8 0 年代初期，世界上已公布近 1 0 部压力容器缺陷评定规范或指导性文件【1 6 】。虽然人工神经网络技术的应用才刚刚开 始，但它高度的并行分布式处理、联想、记忆、自组织及自学习能力和极强的非线性映 射能力，对完整性的评判这一需要应用丰富知识经验和做出大量复杂判断的过程有很强 的适应性。人工神经网络方法可以在非函数表达式形式下获得变量之间的变化规律，特 别是在试验数据不易获得且实验费用昂贵、实验数据较少的情况下更显其优越性【1 7 】。 ( 4 ) 概率化：断裂力学的研究历来是以确定性事件为前提的，然而在工程结构的 评定中存在大量的不确定因素，例如：由于探伤技术的局限和操作者技术水平的不同， 使无损检测的结果并不十分准确；由于在结构上无法取样做材料试验而使得材料的基本 性能也不十分准确；另外结构所受的载荷、温度和其它操作运行条件也都存在不同程度 的波动；含缺陷结构的应力状态由于理论分析时的各种假定与计算过程中的各种简化而 使应力分布也变得不准确【l 引。同时随着可靠性理论的广泛应用，对含缺陷压力容器安全 评定结论也提出了可靠性要求。对含缺陷压力容器进行失效概率分析，一方面反映了各 种评判参数客观存在的不确定性，另一方面也能定量得到其失效概率，从而通过对含缺 陷压力容器的失效概率和失效后果的综合分析，可得出在最低风险和最小经济代价情况 下容器的维修指南。 针对我国压力容器长期存在的共性问题，锅炉压力容器检测研究中心等1 0 多个科 研院所的科学家们，总结、继承和吸收了国内外锅炉压力容器安全评定的理论、技术实 践和经验，1 9 8 4 年我国发布了“压力容器缺陷评定规范( c v d a 8 4 ) n 9 】含缺陷压力容器 5 广西大掌硕士掌位论文含凹坑缺陷碉i 壁圆筒形压力容器的安尝平定以及疲劳寿吉p 的数值模拟研究 安全评定”标准【2 0 l ，它采用失效评定图技术。该标准规范了压力容器安全评定的技术方 法，在提高我国压力容器安全评定的总体水平的同时，也提高了压力容器的安全性和经 济性。用弹塑性断裂分析方法取代线弹性断裂分析方法，是压力容器缺陷评定技术发展 的总趋势。国际上压力容器缺陷评定标准也都在向失效评定图日趋统一【2 l 】。 1 1 2 安全评定的断裂力学基础 断裂力学是研究带有裂纹的物体在载荷的作用下裂纹扩展规律的一门学科。在这个 学科中，所谓裂纹含有更为广泛的意义，除了物体中因开裂而产生的裂纹，还包括材料 冶炼过程中的夹渣、气孔、凹坑、加工过程中引起的刀痕、刻槽等。关于断裂力学的最 早理论可以追溯到1 9 2 0 年。为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低 的原因，嘶街m 提出了在固体材料中或在材料的运行过程中存在或产生裂纹的设想，计 算了当裂纹存在时，板状构件中应变能的变化进而得出了一个十分重要的结果 仃口= 常数( 1 1 ) 式中，仃，使裂纹扩展的临界应力；口为裂纹半长度。该理论非常成功的解释了玻璃 等脆性材料的开裂现象，但应用于金属材料并不成功，又由于当时金属材料的低应力破 坏事故并不突出，所以在很长一段时间内未引起人们的重视。 1 9 4 9 年e o r o w a i l 在分析了金属构件的断裂现象后对嘶伍t l l 公式提出了修正，他 认为产生裂纹所释放的应变能不仅能转化为表面能，也能转化为裂纹前沿的塑性应变 功，而且由于塑性应变功比表面能大很多，以至于可以不考虑表面能的影响，其提出的 公式为： ，1 盯。石：f 半12 ：常数 ( 卜2 ) 。 l a o r o w a l l 公式虽然有所进步，但仍未超出经典的g r i 伍t l l 公式的范围，而且同表面一 样，形变功u 也是难以测量的，因而该公式难以实现工程上的应用。 断裂力学理论的重大突破应归功于i m 缸应力强度因子概念的提出，以及以后断裂 韧性概念的形成。1 9 5 7 年，抓咖应用了h m w - e s t e 珞删在1 9 3 9 年提出的解平面问题 的一个应力函数求解了带穿透型裂纹的空间大平板两向拉伸的应力问题，并引入了应力 强度因子k 的概念，随后又在此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立起测量材料断裂 韧性的实验技术，从而奠定了线弹性断裂力学的基础。 1 1 2 1 线弹性断裂力学 线弹性断裂问题，可以简化为线弹性的平面问题，线弹性平面问题又可归结为弹性 力学中的平面应力和平面应变问题。而线弹性断裂力学其实质是研究应力场强度因子断 裂理论。对于应力场强度因子k ，的研究是始于对一存在一条长为2 口中心穿透裂纹并且 分别受到单向和双向拉伸的无限大板的应力应变问题的研究。经一系列的理论分析计算 6 广西大掌司n b 掌位论文含凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器的安苣h 乎定以及疲劳寿命的数值模拟研究 得到裂纹末端临近范围的任意点上的应力： 咿去一鼾砖s 切詈) 旷击一知s 伽扣詈) ( 吲 k ，9日3 p f 秒2 商硼j 。伽i 叼伽了 式中的，为离裂纹末端的距离；蜀= 盯翮，k ，称为强度因子。它是表征裂纹尖端 应力场的特征值，单位为n i i 姐：，由物体及裂纹的形状尺寸及受力状态决定，它表示 裂纹尖端附近的应力由于裂纹的存在而“强化 程度。裂纹愈长，应力强化程度愈高， 强化程度与口成正比。当口一定时，外加应力仃增加或仃一定，而口增加时，都会引起 k ，的增加，当它增加到某一临界值从而使裂纹顶端区域内足够大的体积内都能达到使 材料分离的应力而导致裂纹的迅速扩展时，这时的k ，就称为应力场强度因子的临界值， 记作如或，称其为断裂韧性。材料的断裂韧性，是材料本身的属性，只能由实验测 定。数值上等于裂纹开始失稳扩展的临界应力强度因子，即巧= 足陀时，裂纹开始失稳 扩展。 1 1 2 2 弹塑性断裂力学 弹塑性断裂力学主要指的是裂纹顶端张开位移c t o d 理论及积分理论。裂纹尖端 在外载荷的作用下将会出现屈服钝化现象，使得裂纹的尖端出现了张开位移，我们用符 号6 表示，这就是c t o d 的值。c t o d 理论不研究裂纹尖端应力场问题，而是设法导出 c t o d 的解，即建立外载荷裂纹尺寸c t o d 之间的关联式。通过对d m 模型的建立 以及分析，得到了在x = 口处沿y 方向裂纹尖端张开位移艿为： 6 ：掣加册罢( 卜4 ) 旭 2 仃 一 此式是有一定的适用范围的，经研究表明，它的适用范围必须限制在旦 1 07 次) 的零部件，如发动机汽缸阀门、 弹簧、长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是一种简单而合理的设计方法。但 是无限寿命设计方法常常使设计的构件过于笨重。随着现代工业特别是航空工业的发 展，飞机朝着高速、高性能、低重量的方向发展。为了充分利用材料的承载潜力，设计 应力水平不断提高，疲劳设计方法也从无限寿命设计进入到有限寿命设计阶段。 1 2 2 2 安全寿命设计( 有限寿命设计) 从无限寿命设计方法基础上发展起来的安全寿命设计，也是依据试验中得到的s - n 曲线来进行设计的。安全寿命设计方法只保证零构件在规定的使用期限内能安全使用， 因此它允许零部件的工作应力超过其疲劳极限，从而减轻自重。它是当前许多机械产品 的主导设计方法。如航空发动机、汽车等对自重有较高要求的产品都广泛使用这种设计 方法。安全寿命设计必须考虑安全系数，以考虑疲劳数据的分散性和其他未知因素的影 响。在设计中，可以对应力取安全系数，也可以对寿命取安全系数，或者规定两种安全 系数都要满足。安全寿命设计可以根据s n 曲线设计，也可以根据s - n 曲线进行设计， 前者称为名义应力有限寿命设计，后者称为局部应力应变法。 1 2 2 3 破损安全设计 随着现代工业的飞速发展，特别是飞机、火箭、船舶、运载工具的飞速发展，以及 第二次世界大战以来疲劳破坏事故的大量涌现，对疲劳设计的安全可靠性提出了越来越 高的要求。破损安全设计方法就是在这个基础上发展起来的另一新的设计方法。破损- 安全设计方法的实质是：结构在规定的使用年限内，允许产生疲劳裂纹，并允许疲劳裂 纹扩展，但其剩余强度大于限制载荷，而且在设计中要采取断裂控制措施，如采用多通 道设计和设置止裂板等，以确保裂纹在被检测出来而未修复之前不致造成结构破坏。压 力容器设计中的“破损前渗漏”就是这种设计准则的一种体现。 1 2 2 4 损伤容限设计 损伤容限设计是破损安全设计方法的体现和改进，此法首先假定零构件内存在初 始裂纹，应用断裂力学方法来估算其剩余寿命，并通过试验来校验，确保在使用期( 或 检修期) 内裂纹不致扩展到引起破坏的程度，从而有裂纹的零构件在其使用期内能够安 全使用，它适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧性高的材料。 l o 广西大掌硕士掌位论文含凹考臼央陷薄壁圆筒形压力容器的安全评定以及疲劳寿吉矿的数值模拟研究 1 2 2 5 耐久性设计 耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量，这种方 法首先要定义疲劳破坏严重细节( 如孔、槽、圆弧、台阶等) 处的初始裂纹质量，描绘 与材料、设计、制造质量相关的初始疲劳损伤状态，再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测 在不同使用时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定使用、维修方案。结构使用到 某一寿命时，发生了不能经济修理的广布损伤，而不修理又可能引起结构的功能问题， 这一寿命称为经济寿命。耐久性设计由原来不考虑裂纹或仅考虑少数最严重的单个裂 纹，发展到考虑可能全部出现的裂纹群；由仅考虑材料的疲劳抗力，发展到考虑细节设 计及其制造质量对疲劳抗力的影响；由仅考虑安全，发展到综合考虑安全、功能及使用 经济性；耐久性设计已经开始应用于一些飞机结构及其他重要工程构件中，是2 1 世纪 疲劳断裂控制研究的一个主要发展方向。 1 2 3 疲劳寿命的影响因素 影响疲劳寿命或疲劳强度的因素很多，比如应力集中、零件的尺寸、形状、表面状 况、平均应力、复合应力、腐蚀介质、温度等。但应力集中是疲劳寿命的最大影响因素。 因为应力集中而形成的高应力区，是过早的导致疲劳损伤的重要原因，即疲劳源的始点。 所谓的应力集中，就是在零构件外形突然变化或材料不连续的地方所发生的应力局 部增大现象。从静力学角度来分析，把应力集中系数k ，( 有时称为理论或几何的应力 集中系数) 定义为最大的局部弹性应力与名义的或平均的应力之比。因此，可以把这种 关系写为 ，r 墨= 迎( 1 7 ) 仃 式中 仃一一最大的局部弹性应力 一 仃。一名义的或平均的应力 在交变载荷作用在构件上的时候，应力集中效应不仅可以对延性材料而且还可对脆 性材料起到明显的作用，使得疲劳寿命大大的降低。在载荷第一次作用时，某些局部屈 服将发生在应力集中处而且将发生应力的重新分布，有些应变硬化或应变软化一般将伴 随这一应力重新分布而发生，载荷的继续作用将进一步引起屈服以及循环应变硬化或软 化。当载荷的作用次数增加时，发生应力重新分布变得更为困难，而且最终可能产生疲 劳裂纹。 对于疲劳寿命的分析是建立在有限元分析的基础之上的，因此正确使用有限元分析 程序，至今仍然是分析工程师要认真对待的问题。它要求分析工程师有坚实的力学基础， 透彻了解典型问题的理论解；具有有限元的理论以及离散的理论基础；了解解的稳定性、 广西大掌硕士掌位论文含凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器的叠印摒定以及疲劳寿命的数值模拟研究 可靠性和有效性；能通过已有考题或自行设定考题检验模型的正确性；能对工程问题的 力学本质进行准确地抽象或概括；要对解决的问题反复论证；对大多数工程问题，要有 可靠的实验数据；要对分析的结果准确判断正误并应随时修正已有模型，最终给出准确 的分析报告。 1 2 4 压力容器的疲劳分析 材料在反复交变载荷作用下的破坏称之为疲劳。疲劳破坏是从高应力区域开始的。 压力容器中，造成反复交变载荷的主要原因有1 4 7 】： ( 1 ) 频繁的间断操作和开停工造成压力和各种载荷的交变； ( 2 ) 运行时出现的压力波动； ( 3 ) 运行时出现的周期性温度变化； ( 4 ) 在正常的温度变化时，容器及部件的伸缩受到了约束； ( 5 ) 外加载荷的反复变化； ( 6 ) 强迫振动。 近年来，各国之所以广泛开展疲劳实验研究，其原因为： ( 1 ) 各国的压力容器设计规范普遍有所变动，安全系数的降低若维持计算厚度不 变，则势必提高了容器的设计应力，而开孔、接管等处的局部峰值应力就更高，极有可 能超过材料的屈服限。 ( 2 ) 随着容器的大型化发展，更为广泛地采用了高强度低合金钢，而这些钢种的 塑性、韧性以及焊接性能都比普通低碳钢差，因而在制造过程中易产生大大小小的裂纹 及其他缺陷，这样，就增加了疲劳破坏的危险性。 1 3 研究课题简介 1 3 1 研究的目的和意义 在压力容器中，诸如接管、焊缝、开孔、转角、钢板、缺陷以及支承部位等因外加 载荷而产生局部峰值应力往往比容器设计应力大好几倍，由于交变应力作用，受力最大 的晶粒中的应力超过材料的屈服限时，晶粒将产生塑性变形( 滑移) ，并逐渐发展成微 小的裂纹，裂纹两端在交变应力的作用下不断扩展，最后导致压力容器泄漏或破裂。据 统计，从6 0 年代以来，国内外的压力容器破坏事故中，有4 0 左右是由于疲劳裂纹扩 展引起的，可见研究压力容器疲劳问题的重要性。而我们所要研究的凹坑缺陷，在压力 容器中产生了较大的应力集中现象，在交变应力的作用的情况下，我们不能不考虑它对 整个容器的疲劳寿命的影响，这也正是对其进行安全评定以及疲劳寿命分析的原因所 在。 1 3 2 研究的主要工作 对于薄壁圆筒形压力容器，选取不同情况下不同尺寸的凹坑，因缺陷的存在，首先 1 2 广西大掌硕士掌位论文含凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器的安全评定以及疲勇- 寿吉p 的数值模拟研究 对所选取凹坑进行安全评定，经评定通过后，对于满足安全评定要求的存在凹坑缺陷的 压力容器，利用有限元软件对其进行静力分析，得到了含凹坑缺陷下容器的应力云图， 及含缺陷压力容器的最大主应力及应力集中系数，把静力分析结果与理论计算结果进行 对比，从而验证了软件操作及计算的正确性。在此基础上，利用疲劳设计曲线及疲劳分 析软件对其进行疲劳寿命的全寿命分析，得到在交变载荷的作用下，含凹坑缺陷容器的 疲劳全寿命。对静力分析及疲劳寿命分析的分析结果进行多元回归，得到多元回归方程， 从而确定最大主应力、应力集中系数及疲劳寿命的变化规律。 1 4 本章小结 本章主要分为三部分的内容：一、介绍了含缺陷压力容器安全评定在国内和国外的 发展历程，以及此安全评定的断裂力学基础即线弹性断裂力学及弹塑性断裂力学。二、 介绍了对于疲劳问题，国内和国外已经涉及到了哪些领域、研究状况等，并且还介绍了 疲劳寿命的影响因素以及疲劳设计的几种方法：无限寿命设计、安全寿命设计、破损一 安全设计、损伤容限设计和耐久性设计。三、主要介绍了此课题的研究目的和意义，以 及所做的研究工作，再一次明确了此次研究的方向和主线。 1 3 广西大掌硕士掌位论文含凹考奂陷碉l 壁圆筒彤压力容器的安苣平定以及疲劳寿命的数值模拟研究 第二章模型的选取 在前一章中我们可以了解到，凹坑缺陷是在工程中所发现的众多缺陷中比较典型的 一种，形成凹坑缺陷的原因也是多种多样的，凹坑的种类也因此比较多。在众多的凹坑 种类中，我们所选取的凹坑是存在于薄壁圆筒形压力容器上面的，对于存在于压力容器 上面的凹坑缺陷，根据g b 厂r 1 9 6 2 4 2 0 0 4 含缺陷压力容器安全评定的要求，要对其 进行安全评定，其中重要的一个评定无量纲参量为g 。，其中g 。= z 叫b 船，当g o o 1 时则凹坑可以免于安全评定，否则，对凹坑必须要进行安全评定。从计算g 。的公式中 可以看到影响安全评定的变量种类，并且这几个变量的变化必然对含凹坑缺陷的压力容 器的受力产生一定的影响，由此，基于对以上变量的考虑，选取了以下研究对象。 2 1 所选凹坑的尺寸及薄壁圆筒的设计参数 所选取的压力容器及凹坑的主要参数如下： 薄壁圆筒内直径口= 1 0 0 0 m m ，设计压力矿3 o ，3 5 ，4 o ，5 o ，5 5 ，6 o m a ，材 料为1 6 m i 浓，设计温度f = 2 5 ，许用应力在厚度为6 1 6 i 姗时，b 】r = 1 7 0m p a ，屈 服应力为仃，= 3 4 5m p a ，抗拉强度= 5 1 0 a ；在厚度大于1 6 3 6 蚴时， b 了= 1 6 3 m p a ，屈服应力为仃，= 3 2 5 m p a ，抗拉强度仃6 = 4 9 0 m p a ；焊缝系数妒= 1 ，钢 板厚度负偏差c l = o 衄，腐蚀余量c ：= 2 m m 。 根据以上所选数据，需要计算出所研究的压力容器的厚度，由g b l 5 0 对简体的壁 厚进行计算 当p = 3 o m p a ，b 】r = 1 7 0 m p a 时， 6 ：千粤l ：j 坐卫生：8 9 咖 2 i 仃妒一p 2 1 7 0 1 3 o 6 d = 6 + q = 8 9 + 2 = 1 0 9 i 啪 取c 1 = 0 n h n 所以6 。= 1 2 n 吼查表b 】f 没有变化，故取6 。= 1 2 蚴满足要求。 用同样的方法，可计算出筒体在不同的设计压力和许用应力下所对应的厚度，如表 1 4 广西大掌硕士掌位论文含凹坑缺陷薄壁圆筒形匪力容器的安全评定以及姻i 劳寿命的数值模拟研究 2 1 所示。 表2 1 筒体在不同的设计压力和许用应力下所对应的厚度 t a b l e 2 - 1c a i l i s t e r1 1 1 i c l ( n e s si nd i 艉r e n td e s i g np r e s sa n da l l o w a b l es 仃e s s 压力舢a厚度6 。m m压力p 啪p a厚度6 。m m 3 o1 25 01 8 3 51 45 52 0 4 01 66 o2 2 在不同厚度的压力容器中，所选取的凹坑种类如表2 2 所示。 表2 2 不同种类的凹坑( d i = 1 0 0 0 i 姗，1 6 m n c l = o m m ，c j - 2 m i i l 咖= 1 ) t a b l e 2 2d i 仃e r e mk i n do f p i t s ( 毋= 1 0 0 0 i 衄，1 6 m n c l = o m m ，c 2 _ 2 r 啪，咖= 1 ) 设计压力舢a名义厚度6 以呦凹坑深度z 姗凹坑长与宽，- 2 踟m 3 o 3 2 3 4 3 6 3 8 4 o 2 7 广西大学硕士掌位论文含凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器的安全评定以及疲劳习 命的数值模拟研究 续表2 - 2 不同种类的凹坑( d i = 1 0 0 0 m m ，1 6 m n rc 1 = o m r i l c 2 = 2 咖，咖= 1 ) s e r i e st a b l e 2 2d i 侬r e n tk i n do f p i t s ( d i = 1 0 0 0 m i i l ，1 6 m i rc 1 = o n l n l ，c 2 = 2 m m ，咖= 1 ) 设计压力m p a名义厚度占加啪凹坑深度z 衄凹坑长与宽，- 2 舳 3 o 3 4 3 6 3 8 4 o 4 2 广西大掌硕士掌位论文含凹暂矢陷薄罾圆筒形压力容器的安全评定以及疲劳寿命的数值模拟研究 表2 2 不同种类的凹坑( i i = 1 0 0 0 m m ，1 6 m i 此c 1 = o i i l 虺c 2 = 2 蚴，咖= 1 ) s e r i e st a b l e 2 2d i l j f e r e n tk i n do f p i t s ( d i - 1 0 0 0 m m ，1 6 m n 凡c 1 = o m m ，c 2 = 2 m m ，西= 1 ) 设计压力舢a名义厚度6 加砌 凹坑深度踟凹坑长与宽，- 2 胁 3 0 3 8 4 o 4 2 4 4 4 6 广西大掌硕士掌位论文含凹茸央陷薄壁圆筒形压力名0 器的暑托套评定以及疲劳习；命的数值模拟研究 续表2 2 不同种类的凹坑( d i = 1 0 0 0 i l 加，1 6 m r l i 匕c 1 = o i i l 】鸭c 2 - 2 r i 吼，咖= 1 ) s e r i e st 曲1 e 2 2d i 航r e m 瞄n do f p i t s ( 毋= 1 0 0 0 m m ，1 6 m n rc l = o m m ，c 2 - 2 m m ，圣= 1 ) 2 0 3 2 3 4 3 62 4 3 8 4 o 6 o2 2 3 2 3 4 3 62 4 3 8 4 0 2 2 本章小结 本章主要说明了确定研究对象的依据以及具体研究对象的选取。它们是几种在不同 内压作用下的含不同深度和长度的凹坑的薄壁圆筒形压力容器，并且根据它们所受的压 力不同、许用应力、屈服强度等不同，从而计算出对应不同压力下的压力容器的厚度， 就此，我们便完整的确定了我们的研究对象。 1 8 广西大掌硕士学位论文含凹坑缺陷嗣壁圆筒形压力容器的董坷 评定以及疲劳寿命的数值模拟研究 第三章安全评定 凹坑缺陷是存在于压力容器中比较常见的一种缺陷，由于凹坑的存在，压力容器的 几何形状发生突变，产生应力集中，对压力容器整体的应力必然产生影响，若压力容器 又在交变载荷下工作，则对疲劳寿命也会产生很大的影响，因此，含凹坑缺陷的压力容 器需要进行安全评定，g b t 1 9 6 2 4 2 0 0 4 在用含缺陷压力容器安全评定中，提出对于 含凹坑缺陷的压力容器的评定方法与限制条件、评定的程序、缺陷的表征与缺陷部位容 器尺寸的确定等一系列与评定相关的内容，为正确的进行安全评定提供了有力的理论基 础。 3 1 含凹坑缺陷安全评定的相关规定 根据g b 厂r 1 9 6 2 4 2 0 0 4 在用含缺陷压力容器安全评定的规定，对于含凹坑缺陷 的压力容器，对其评定的方法和步骤如下面所述。 3 1 1 评定的方法与限定条件 ( 1 ) 在应用本方法评定之前，应将评定缺陷打磨成表面光滑、过渡平缓的凹坑， 并确认凹坑及其周围无其他表面缺陷或埋藏缺陷。 ( 2 ) 本方法适用于符合以下条件的压力容器： 一反r o 1 8 的筒壳或鼠r o 1 0 的球壳；风为缺陷附近实测容器壳体壁厚； 一材料韧性满足压力容器设计规定，未发现劣化； 一凹坑深度z 小于计算厚度b 的6 0 ，且坑底最小厚度( 召一z ) 不小于2 吼； 一凹坑长度2 x 2 8 咫； 一凹坑宽度2 】，不小于凹坑深度z 的6 倍( 容许打磨至满足本要求) 。 ( 3 ) 对于超出上述限定条件或在服役期间表面有可能生成裂纹的凹坑缺陷，应按 平面缺陷进行评定。 3 1 2 评定的程序 凹坑缺陷的安全评定按下列步骤进行： ( 1 ) 缺陷的表征； ( 2 ) 缺陷部位容器尺寸的确定； ( 3 ) 材料性能数据的确定； ( 4 ) 无量纲参数g 0 的计算和免于评定的判别； ( 5 ) 塑性极限载荷和最高容许工作压力的确定； ( 6 ) 安全性评定。 1 9 广西大掌硕士掌位论文合凹坑缺陷薄壁圆筒形压力容器的墨全评定以及疲劳寿命的数值模弱b 开究 3 1 3 缺陷的表征与缺陷部位容器尺寸的确定 对经检验查明的凹坑缺陷，根据实际位置、形状和尺寸，按体积缺陷的表征将其规 则化，并确定凹坑所在部位容器的计算厚度b 和平均半径尺。 3 1 4 材料性能数据的确定 所需的材料性能数据有屈服点仃，( 或条件屈服强度仃。：) 、抗拉强度、弹性模量 e 等。在评定中应优先采用实测数据，在无法获得实测数据时，经有关各方协商，在充 分考虑材料化学成分、冶金和工艺状态、试样和试验条件等因素影响并保证评定的总体 结果偏于安全的前提下，可选取代用数据。 对于评定中所需的材料流动应力仃按下述规定选取： 仃7 = 仃， 用于非焊缝区凹坑 仃= 妒， 用于焊缝区凹坑 其中焊接接头系数9 按容器的实际设计要求选取；当无法得到容器的设计要求时， 也可按g b l 5 0 1 9 9 8 或其他相关标准确定。 3 1 5g o 的计算和免于评定的判别 容器表面凹坑缺陷的无量纲参数g o 的计算公式为： g o ：要喜 ( 3 1 ) 2 否丽 ( 3 一1 ) 若g 0 0 1 则该凹坑缺陷可免于评定，认为是安全的或可以接受的；否则应继续按 3 1 6 和3 1 7 规定进行评定。 3 1 6 塑性极限载荷和最高容许工作压力的确定 ( 1 ) 无凹坑缺陷壳体塑性极限载荷皖。的计算 对圆筒形容器： 耻去孑文篇) ( 3 吲 ( 2 ) 带凹坑缺陷容器极限载荷尸，的计算 对圆筒形容器： 兄= ( 1 - o 3 瓦垃。 ( 3 3 ) 广西大学硕士掌位论文含凹坑缺陷薄璧圆筒形压力容器的安全评定以及疲劳习；冒p 的数值模拟研究 ( 3 ) 带凹坑缺陷容器最高容许工作压力按公式( 3 4 ) 计算： = 去 ( 3 - 4 ) 3 1 7 安全性评定 若p 且实测凹坑尺寸满足评定方法和限定条件的要求，则认为该凹坑缺陷是 安全的或可以接受的；否则，是不能保证安全或不可接受的。 3 2 对所选的凹坑进行安全评定 根据以上所述的评定步骤对所选取的凹坑种类进行安全评定，由于要研究的是允许 存在于压力容器上面的凹坑对压力容器的应力及疲劳寿命的影响，所以若所选取的凹坑 中，有不满足要求的，就要重新选择，从而达到研究目的。 3 2 1 g o 的计算 根据公式( 3 1 ) 对所选的凹坑进行计算，对压力容器有4 = 1 0 0 0 i n i n ，p = 3 om p a ， 艿。= 1 2 i 姗，庐6 。一c = 1 2 2 = 1 0 l n l n ，对凹坑有2 x = 2 4i 姗，z = 4 o 衄。 g 。：兰善：竺喜：o 0 6 7 0 1 5 2 x = 2 】，= 4 2 ，4 4 ，4 6 ，4 8 ，5 0 1 1 1 m 的凹坑，0 0 8 0 1 5 ， 2 l 广西大掌硕士掌位