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材料多轴棘轮效应本构描述及压力管道棘轮效应预测

高炳军  
【摘要】:利用自行设计的直管准三点弯曲实验装置、弯管面内弯曲加载装置,采用电阻应变法,在多轴疲劳实验机上对循环弯曲载荷作用下的20#钢内压直管、弯管进行了棘轮效应研究。利用自行设计的径向位移传感器监测了管子的径向变形。对于直管,发现棘轮应变首先沿环向产生,随着载荷的增加,轴向也将产生棘轮应变,但较环向小。随着棘轮应变的产生,直管圆截面变为椭圆截面。对于90~°弯管,无论是长半径还是短半径,最大棘轮应变发生在顶线位置处,为环向应变;对于45°弯管,距内缘线45°位置处的棘轮应变较顶线位置大。随着棘轮应变的产生,弯管圆截面变为椭圆截面。多载荷步加载时,以往棘轮应变历史会降低应有的棘轮应变速率,尤其在较大的载荷下先发生棘轮应变后,这种影响十分明显。利用直管准三点弯曲实验装置,确定了内压直管循环弯曲的棘轮边界。 考察了现有循环塑性本构模型,发现能够适用于各种材料各种加载路径的本构模型还不存在,但对某类材料寻求较为适宜的本构模型完全可能。尤其Ohno-Wang模型及基于Ohno-Wang模型的改进模型的出现,很大程度上提高了材料及结构的多轴棘轮效应预测的准确性。 利用ANSYS的用户编程特性UPFs,通过编写USERPL.F子程序,将Ohno-Wang模型及其修正模型嵌入ANSYS软件,实现了结构循环塑性分析。 利用ANSYS程序对循环弯曲载荷作用下的内压直管与弯管进行了弹塑性分析,通过比较各模型对直管、弯管棘轮应变的预测,发现对于直管、弯管中的E90S及E45L,修正的Jiang-Sehitoglu模型的预测结果更好一些,而对于弯管中的E90L,Chen-Jiao-Kim模型预测值与实验值能够较好地吻合。 对于循环弯曲载荷作用下的内压直管,讨论了确定棘轮边界的现有规范及方法,发现采用修正的Jiang-Sehitoglu模型按C-TDF方法确定的棘轮边界线能够较好地界定安定区。采用修正的Jiang-Sehitoglu模型按C-TDF方法确定了面内循环弯曲载荷作用下内压弯管E90L、E90S及E45L的棘轮边界。 根据等强度原则推导了内压弯管的理论壁厚分布,并根据弯管的加工特点,提出一种假定的壁厚分布,可有效改善弯管抗棘轮应变能力。


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