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基于可靠性的典型承压部件塑性极限载荷分析及强度设计系数评价

贾晓亮  
【摘要】:本文的研究背景来源于中国特检院承担的质检公益性行业科研专项“基于损伤模式的承压设备合于使用评价技术研究及应用”(201411024)。针对承压部件的塑性垮塌失效,采用理想弹塑性模型,对典型承压部件进行塑性极限承载能力分析。考虑现行设计标准中对承压结构几何参量、材料参量等不确定性的规定,结合实际生产中各参量的不确定性影响,对典型承压部件进行基于塑性失效模式的可靠性分析,最终得到强度设计系数计算方法,并与现行标准中规定的设计系数进行对比研究。为挖掘承压设备潜在承载能力、延长使用寿命、节能减排及设计标准从确定性向可靠性的转化提供理论及实验依据。本研究从塑性理论出发,采用有限元中的非线性分析方法与可靠性分析,对典型承压部件的极限载荷及塑性失效概率进行分析,主要解决了三方面问题:其一是研究基于塑性极限分析的典型承压部件可靠性分析方法,得到规则设计下几何参量、材料参量等对承压部件塑性失效概率分布的影响规律。其二是利用本文提出的可靠性分析方法,结合现行标准中对于承压设备所用材料的几何参量不确定性及材料参量不确定性的规定,建立基于可靠性的强度设计系数计算方法,并给出不同可靠度指标下强度设计系数的推荐值。其三是利用本文推导出的强度设计系数计算方法及强度设计系数分布曲线,对当前法规中确定性的强度设计系数进行评价,为标准的修订提供理论支持。本文的主要工作及成果如下:(1)将ANSYS有限元的非线性分析法与可靠性分析中的蒙特卡罗法相结合,建立了计算典型承压部件塑性失效概率分布的可靠性分析方法及分析程序,并将其与理论推导进行对比,验证了程序的准确性。(2)依据理论推导及有限元数值模拟结果,得到了截面含椭圆度的内压圆筒极限载荷计算公式。利用该公式与可靠性程序对带椭圆度内压圆筒进行可靠性分析,得到了几何参量及材料参量的不确定性对承压结构塑性失效概率的影响规律。(3)基于可靠性程序及一次二阶矩法,得到了内压圆筒在五种情况下(仅壁厚不确定;仅椭圆度不确定;仅屈服强度不确定;壁厚与屈服强度双参数不确定;壁厚、屈服强度、椭圆度三参数不确定)强度设计系数计算方法与推荐值。(4)将本文提出的基于可靠性强度设计系数与现行标准中的强度设计系数进行对比发现,若仅考虑单参量不确定,则现行标准中的强度设计系数较为保守。当考虑双参数不确定时,以壁厚为25mm为分界,在壁厚小于25mm时现行标准中的强度设计系数偏于危险,而当壁厚大于25mm时则偏于保守。当考虑三参数不确定时,以壁厚为40mm为分界,在壁厚小于40mm时现行标准中的强度设计系数偏于危险,而当壁厚大于40mm时则偏于保守。


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