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壓力容器疲勞壽命的有限元分析

發(fā)布于:2024-04-10 19:42
有限元分析

      目前,幾乎在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域,壓力容器被廣泛使用,然而其一旦發(fā)生事故,可能產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果。與此同時(shí),壓力容器裂紋的產(chǎn)生,一直是壓力容器發(fā)生事故的一個(gè)重大隱患,故對壓力容器的安全評(píng)定及壽命預(yù)測具有重要的工程實(shí)際意義。本文基于合理使用原則,對含平行裂紋缺陷球罐進(jìn)行裂紋的簡化評(píng)定,采用較為精確的方法計(jì)算球罐的疲勞壽命有限元分析,基于ANSYS軟件的高準(zhǔn)確性,分析了平行裂紋間距對應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響,得出裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著平行裂紋間距的變化規(guī)律。
      研究一球形儲(chǔ)罐,其技術(shù)參數(shù)如表1,材料為07MnNiMoVDR鋼,查閱相關(guān)資料確定其屈服強(qiáng)度σs為520MPa,彈性模量E為206GPa。
      在球形儲(chǔ)罐內(nèi)壁一側(cè)存在兩條互相平行的裂紋,其裂紋間距為4mm,規(guī)則化后的裂紋尺寸分別為a1=5mm,a2=4mm,c1=c2=4.5mm。兩條裂紋的間距滿足GB/T19624中對非共面裂紋處理的相關(guān)規(guī)定,可按照共面裂紋對其進(jìn)行合并,得到合并后新的裂紋尺寸a=5mm,c=11mm。
      為保證對此平行裂紋的研究有意義,首先按照GB/T19624的相關(guān)規(guī)定對合并后的裂紋進(jìn)行簡化評(píng)定,簡化評(píng)定結(jié)果如下圖1所示。
      如圖可知評(píng)定結(jié)果為安全,表面裂紋是安全的,此壓力容器可以繼續(xù)使用。
      基于ANSYS軟件的功能,為了更加精確的得出球罐薄膜應(yīng)力Pm與彎曲應(yīng)力Pb的值,本文利用ANSYS軟件來求取。在求。校砼cPb的過程中,先求得球罐的應(yīng)力分布云圖,如圖所示。之后定義分析路徑,將SINT應(yīng)力分解并將分解后的值在分析路徑上映射出來,再對各應(yīng)力進(jìn)行線性化處理,如圖所示。最后運(yùn)行List。蹋椋睿澹幔颍椋澹涿,得到二者的值,如圖所示。
      由圖中可以看出Pm=119.4MPa,Pb=278.9MPa,根據(jù)GB/T19624中的相關(guān)規(guī)定,可以得知二次應(yīng)力的取值為Qm=0MPa,Qb=0.3σs=156MPa?偟膽(yīng)力計(jì)算公式為σ=KtPm+XbPb+XrQ(1)由GB/T19624可以查得Kt=1,Xb=0.75,Xr=0.6故可求得應(yīng)力值σσ=KtPm+XbPb+XrQ=119.4+0.75×278.9+156×0.6=422.2Mpa 2.2 δc的確定根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得知07MnNiMoVDR的沖擊功Akv=80J,故根據(jù)公式:K1c=9.35(Akv)0.63(2)經(jīng)過單位換算可求得K1c=4240.7MPa 槡mm再由公式δc=4K1c2πEσs(3)求得δc=0.21mm。
      裂紋臨界尺寸可按以下公式計(jì)算αN=δc2πes(e/es)2 。ǎ/es≤1)(4)αN=δcπes(e/es+1)2 。ǎ/es>1)(5)其中:e=σ/E,es=σs/E由前邊計(jì)算可知σ=422.2MPa<σs=520MPa,故選擇(4)式進(jìn)行計(jì)算,可求得αN=20mm。
      ΔK的計(jì)算:
      對儲(chǔ)罐進(jìn)行泄壓時(shí),壓力將降為常壓,故壓力的波動(dòng)比率為0.91。根據(jù)GB/T19624及相關(guān)文獻(xiàn)中的計(jì)算公式可求得:ΔK=1142.4N/mm32。


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