應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)壓力容器安全裕度的影響效果初探

1、應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)壓力容器安全裕度的影響效果初探 本文通過(guò)試件拉伸試驗(yàn)和圓筒容器的有限元模擬方法，探究加載路徑和預(yù)應(yīng)變量?jī)蓚€(gè)元素對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化容器塑性的失穩(wěn)壓力的影響。結(jié)果顯示：加載路徑這一元素試件以及圓筒容器的極限承載能力具有較小的影響。對(duì)壁厚為1.02到1.10范圍內(nèi)的容器，壁厚對(duì)預(yù)變后容器的塑性失穩(wěn)壓力的影響甚小。同時(shí)考慮容器的塑性變形以及材料的強(qiáng)化效應(yīng)的改變情況，大約4%到12%的試件和容器的最小安全裕度會(huì)有常規(guī)的4.76降低到2.21。本次研究得到的最小安全裕度和國(guó)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)一致，這說(shuō)明應(yīng)變強(qiáng)化后容器仍然具有相對(duì)較高的安全裕度。 對(duì)于壓力容器而言，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中不僅要考慮其安全性能，同時(shí)還要考

2、慮它的經(jīng)濟(jì)可行性。應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)作為一種新的技術(shù)，將其應(yīng)用到壓力容器的設(shè)計(jì)中，雖在一定程度上降低了容器材料的部分塑性，但是其也在一定程度上提高了材料的屈服強(qiáng)度。應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化及時(shí)之后，壓力容器的壁厚就會(huì)得到大大的降低，這不僅能夠降低容器的重量，最重要的是能夠有效的提高材料的利用效率，提高壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)可行性。但是經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程后，容器的整體外形就會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，關(guān)鍵是在應(yīng)變后的容器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)的尺寸等數(shù)據(jù)因素卻和應(yīng)變前的數(shù)據(jù)一致，忽略了這些工作環(huán)節(jié)對(duì)材料安全預(yù)度的影響，給壓力容器的工作環(huán)節(jié)中埋下了巨大的安全隱患。 2.應(yīng)變強(qiáng)化路徑對(duì)壓力容器塑性失穩(wěn)性的影響 2.1不同情況的加載路徑試件

3、的預(yù)拉伸試驗(yàn)以及結(jié)果的數(shù)據(jù)分析 本次試驗(yàn)選取的試驗(yàn)對(duì)象是四個(gè)完全相同的06gr19ni0奧式體不銹鋼材料，并且對(duì)其分別標(biāo)號(hào)為去a、b、c、d，然后對(duì)試驗(yàn)材料的矩形截面試件分別進(jìn)行各應(yīng)路徑的預(yù)拉伸試驗(yàn)，a材料試件進(jìn)行拉伸程度為斷裂，b、c、d材料分別采用不同的拉伸力對(duì)其拉伸，使得材料試件發(fā)生部分塑性變形、卸載恢復(fù)、再拉伸直至材料斷列裂，通過(guò)實(shí)驗(yàn)后比較各試件在不同預(yù)應(yīng)變下的拉伸承載能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：試件編號(hào)試件的厚度（mm）第一次加載載荷（kn）卸載后參與應(yīng)變?cè)嚰熳畲筘?fù)荷與試件初始截面積比值（mpa）a6.00798.25b6.0086.980.10779.19c6.00120.390.

4、14758.12d6.00107.560.85780.01 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，在不同加載路徑下的情況下，也就是不同程度的應(yīng)變強(qiáng)化情況下，這些材料的極限承載能力的變化程度是不大的，說(shuō)明不同加載路徑雖然能夠使得材料的失穩(wěn)點(diǎn)發(fā)生變化，但是對(duì)材料的極限承載能力的影響是微乎其微的。 2.2有限元模擬試驗(yàn)分析 本次試驗(yàn)選用的試驗(yàn)方法是有限元模擬試驗(yàn)方法，并且設(shè)定兩種加載方式，第一種為一次性加載材料使材料的塑性失穩(wěn)，第二種是分兩次加載，第一次加載時(shí)使材料達(dá)到塑性變形的目的，卸載后對(duì)材料進(jìn)行第二次加載，直接使材料的塑性失穩(wěn)。在模擬的過(guò)程中，壓力容器模型選擇為350mm8mm180000mm的圓筒容器，并且

5、通過(guò)查表可知厚度為8mm的6crl9nil0板的實(shí)測(cè)真應(yīng)力變曲線。在試驗(yàn)過(guò)程以及數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，有限元數(shù)值模擬選用的是plane82二維八點(diǎn)節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，并且要通過(guò)幾何大變形效應(yīng)，同時(shí)壓力容器模型要采取多線性等向強(qiáng)化miso模型，計(jì)算方法采用弧長(zhǎng)法對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解析。在計(jì)算過(guò)程中，要對(duì)上述兩種加載方式的材料模型的塑性失穩(wěn)壓力進(jìn)行計(jì)算，在此要注意，在第二種加載方式的計(jì)算過(guò)程中要給容器施加0.10左右的6組預(yù)應(yīng)變，計(jì)算結(jié)果如下：加載方式預(yù)應(yīng)變量c第一次加載載荷（po/mpa）塑性失穩(wěn)壓力(pblin/mpa)最大環(huán)向應(yīng)變第一種0.0024.780.387第二種0.0215.2324.690.35

6、20.0416.3224.790.3220.0617.3524.910.3010.0818.7524.760.2890.1019.2924.770.2780.1220.6424.700.257 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中可以看出，在上述兩種加載方式的影響下，該壓力容器模型的材料塑性失穩(wěn)壓力基本沒有變化，而最大環(huán)向應(yīng)變卻隨著預(yù)應(yīng)變量的逐漸增大而減小等。 總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得知，壓力容器的極限承載能力是不會(huì)隨著加載方式的變化而變化的，但是預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化容器的儲(chǔ)備卻會(huì)隨著預(yù)應(yīng)變量的增加而逐漸減小。 3.壓力容器整體的塑性變形與壓力容器材料失穩(wěn)壓力的聯(lián)系 在本次試驗(yàn)中，壓力容器試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某跏純?nèi)徑為400毫

7、米，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算過(guò)程中壓力容器的模型長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于等于五倍的內(nèi)徑，也就是大于等于2000毫米。根據(jù)實(shí)際情況，在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器一般都是薄壁容器，所以在此可以合理的將容器的徑比選擇在1.10左右，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求則可以詳細(xì)的取1.02、1.04、1.06、1.08、1.10五組數(shù)據(jù)。在有限模擬過(guò)程中，壓力容器預(yù)應(yīng)變后的尺寸應(yīng)當(dāng)按照一定的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。 試驗(yàn)完成之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，兩種模型的有限元的計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)，在取上述五組數(shù)據(jù)的徑比情況下，塑性變形對(duì)壓力容器材料的失穩(wěn)壓力有一定的影響，這種影響會(huì)隨著壓力容器的徑比的增大而逐漸增大，和沒有對(duì)其施加預(yù)應(yīng)變的情況相比，壓力容器

8、的模型在0.04到0.12的預(yù)應(yīng)變范圍內(nèi)塑性失穩(wěn)壓力的平均下降幅度最大為6.42，是發(fā)生在預(yù)應(yīng)變量為0.08的情況下，詳細(xì)如下：預(yù)應(yīng)變c0.040.060.080.100.12材料塑性失穩(wěn)壓力的變化-3.24-4.24-6.42-5.34-4.98 通過(guò)上述數(shù)據(jù)可知，雖然應(yīng)變強(qiáng)化會(huì)使得壓力容器的半徑逐漸變大，壁厚逐漸減小，但是材料的塑性失穩(wěn)壓力的下降幅度卻很小，這也說(shuō)明材料的強(qiáng)化效應(yīng)在一定程度上對(duì)容器的尺寸改變做到了一定的彌補(bǔ)。 通過(guò)數(shù)據(jù)的分析可以總結(jié)出加載路徑對(duì)試件和容器的極限承載能力的影響是比較小的；不同的預(yù)應(yīng)變量能夠使容器產(chǎn)生不同的塑性變形，過(guò)一段時(shí)間后在材料硬度的影響下容器的塑性變形會(huì)逐漸恢復(fù)，但是在這個(gè)過(guò)程中容器材料的塑性失穩(wěn)載荷就會(huì)隨之略減小；對(duì)于徑比為1.0左右的