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压力容器的疲劳寿命与裂纹扩展规律分析

张洋洋  
【摘要】:随着我国经济的迅速发展,工业的进步,压力容器已经广泛的用于石油、化工等工业部门以及日常生活当中。大量压力容器与各类承压设备都是在复杂的载荷下工作,容易引起工程结构的疲劳裂纹扩展,进而导致灾难性的破坏。因此,对疲劳裂纹扩展规律以及裂纹扩展行为预测方法,进行系统深入地研究具有重要的理论价值和现实的工程意义。本文采取数值计算与模拟相结合的研究方法,对压力容器受力情况及使用寿命进行分析;对不同初始形貌的表面裂纹扩展形貌进行模拟;对在相同载荷下不同温度下的裂纹扩展速率进行估算。主要研究内容及成果如下。 针对压力容器的结构及受力状况,建立模型及载荷约束,对压力容器的各部位受力及变形情况进行分析,模拟压力容器的工作状况得到其整体的使用寿命,确定压力容器的薄弱环节。 在压力容器中存在的表面裂纹,表面半椭圆裂纹周边的应力强度因子K随θ而变化。沿短、长半轴处裂纹尖端的应力强度因子决定该处裂纹扩展速率,从而影响裂纹扩展形貌。运用数值计算与实验结果相比较,并运用ANSYS有限元分析,确定裂纹扩展长度与深度的关系,以期为含有表面裂纹体的压力容器疲劳剩余使用寿命评估提供依据。 针对压力容器服役条件,以压力容器用钢316L为研究对象,并以前人的实验数据为基础。对钢材在25、200、400、550℃下的材料参数与裂纹扩展规律进行分析,得出一个描述裂纹扩展速率da/dN与材料性能常数的关系式,该关系式可用于预测材料不同温度情况下的疲劳裂纹扩展速率。


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