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半球封头圆柱壳结构的塑性极限载荷分析

周小玲  
【摘要】:压力容器是在国民经济中具有重要应用价值的设备,广泛应用于石油化工、能源工业、科研与军工等行业,其工作介质一般具有高温、高压、腐蚀性强等特点,其设计制造的不合理易导致爆炸、燃烧、起火等危及人民生命、物质财产安全及环境污染的事故。世界各国都对压力容器的设计制造过程予以高度重视。随着有限元分析法和计算机技术的快速发展,针对压力容器常规设计方法存在的盲目性和应力分类法存在的高成本与不确定性等问题,出现了以塑性分析为基础的极限载荷分析法。极限载荷分析与美国ASME标准中的弹塑性分析在分析思路上是一致的,只是极限载荷分析的数值模型对真实情况作了一定的简化,弹塑性分析相对来说更加符合实际情况,但是它的计算分析成本也更高,最重要的是,目前各种材料考虑应变强化效应的真实应力―应变数据还很欠缺。所以现阶段对极限载荷分析法(不考虑材料硬化效应)的广泛应用是当务之急。半球封头圆柱壳结构是压力容器行业中的典型结构,将极限载荷分析法应用在其设计当中对推动压力容器行业设计方法的更新与进步具有重要意义。本文将采用大型非线性分析软件ABAQUS对半球封头圆柱壳结构采用有限元数值模拟技术研究结构参数对其在内压作用下的极限载荷的影响规律以及该结构在极限状态下的失效形式。主要结论如下:(1)球壳结构与圆柱壳结构在同样条件下的承载能力是不同的,且球壳结构的承载能力相对较大;(2)半球封头圆柱壳结构在极限载荷下有三种失效模式,一是球壳结构的承载能力相对较大时,由筒体的膨胀变形而导致的结构破坏;二是当圆柱筒体的承载能力较大时,由球壳部分膨胀变形而导致结构的破坏;三是当球壳与圆柱壳承载能力相当时,球壳与圆柱壳同时出现球壳的膨胀变形和圆柱筒体的轴向拉伸变形导致结构的破坏。(3)该结构的结构参数当中,壳体半径是最主要因素,壳体厚度次之,壳体长度是次要因素;结构的极限载荷随着圆柱壳体半径增加单调递减;随着圆柱壳体厚度增加单调递增;随着圆柱壳体长度增加变化不明显。(4)设计了研究球壳与柱壳最佳厚度比(使两者承载能力相当)的方案,找到最佳厚度比,并进行验证,证明了它的有效性。(5)对半球封头圆柱壳结构中封头与筒体不同的不等厚连接形式进行了有限元极限载荷分析,发现连接形式对极限载荷的影响微乎其微,可以忽略。(6)拟合半球封头圆柱壳结构的极限载荷工程应用公式,并验证其有效性。


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