大瓣片高强钢球罐壳板成形机理及本构关系研究

大瓣片高强钢球罐壳板成形机理及本构关系研究随着石油、化工、冶金及城市燃气工业的发展，作为储存容器的球罐，得到了广泛的应用和迅速的发展。目前，球罐制造技术正向着容积大型化、结构多样化、高参数方向发展，这势必要求球罐的瓣片尽可能大，减少焊缝长度，降低成本，同时提高整个球罐的安全性。我国从上个世纪80年代开始试制和生产σ_b=610MPa级别的高强钢，但是板宽较窄，无法满足大型球罐板宽较大的要求。直到本世纪初，才开始批量生产宽板高强钢，这样，使用国产高强钢制造大型球罐已成为可能。因此，作为国产高强钢板应用于大型球罐的技术需求，大瓣片高强钢球罐壳板成形机理及本构关系研究势在必行。本文对国产高强钢球罐壳板冲压成形过程中板料受力和变形进行弹塑性分析，对成形过程进行应力测试与分析，推导多维应力和应变状态的弹塑性增量本构关系，并对高强钢球罐结构进行了有限元数值计算。主要探讨板料塑性变形的应力状态和变形状态，为合理设计高强钢球罐壳板冲压成形工艺提供依据。以便进一步提高产品的制造精度，确保产品质量，提高球罐制造安装技术水平。本文完成的具体工作摘要如下：1、通过对耦几何与物理非线性为一体的圆板力学分析模型的研究，对球罐壳板冲压成形过程中板料受力和变形进行分析。主要讨论板壳成形过程中的结构性问题，探讨板料塑性变形、板内膜力对应力状态和变形状态的作用以及回弹规律。板料成形过程符合线性强化理论。当膜力卸除后，周向弹性变形和径向缩短的弹性变形导致回弹。2、对大瓣片高强钢球罐壳体成形过程进行应力测试与分析，在分析壳体成形工艺特点和力学特征的基础上，创新性地设计出合适的应力测试方法，准确测定冲压加工过程中特定状态下板壳内的应力分布及变化规律。压力加工过程中，当模具完全冲压到位时，在模具中心区域出现最大拉伸应变，应力值也最大，其它部位应力值均不超过中间部位，而卸载后该区反而出现了很小的压应力，这对容器的安全是有利的。因此在冲压过程中只要控制冲压变形量，使得中间部位应力值小于材料的强度极限，就可保证板材不发生工艺性破裂，而且成形完成后该区也无不利的力学因素。哈尔滨工程大学博士学位论文3、为了对高强钢球罐壳板冲压成形进行非线性分析，研究材料的增量本构关系尤为重要。在取得简单拉压实验及扭转剪切实验的实验数据基础上，利用连续介质力学的弹塑性理论，对高强钢预制成形的屈服行为进于了分析，借助己取得的高强钢简单拉压的大量实验数据，推导出复杂应力状态下的高强钢的塑性增量本构关系。同样，利用己取得的高强钢的扭转剪切实验数据以及通过大量的数值模拟，推导出复杂应力状态下高强钢的塑性增量本构关系另一种表达式。应用材料参数之间的关系，证明了高强钢的塑性增量本构关系的两种表达式的统一性。这是应用简单实验资料推导多维应力状态的弹塑性增量本构关系的一种有效方法。4、采用理论分析与有限元数值计算相结合的方法，建立球壳板结构模型、带支柱球壳板结构模型和带人孔球壳板结构模型，对高强钢球罐结构进行了验证性的有限元数值计算。利用承受内压球壳开圆孔问题的理论解来校正有限元数值计算模型，通过不同单元模式和单元划分(包括开孔附近的单元网格密集度的划分)的试算比较，来形成合理的计算