一種基于壽命的超高壓容器疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壽命的超高壓容器疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。本方法首先進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；然后依據(jù)剪應(yīng)力最小原理進(jìn)行自增強(qiáng)處理優(yōu)化設(shè)計(jì)；再利用有限元軟件計(jì)算得到最大局部等效應(yīng)力，與設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度比對(duì)，滿足則根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和材料疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻值計(jì)算最小初始疲勞裂紋長(zhǎng)度；利用材料斷裂韌性確定最大疲勞裂紋長(zhǎng)度，并基于疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立精確的描述方程；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代計(jì)算，判斷是否滿足疲勞設(shè)計(jì)壽命，滿足則完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本發(fā)明考慮了超高壓容器制造和運(yùn)行過(guò)程中存在的多種風(fēng)險(xiǎn)因素，在設(shè)計(jì)階段加以控制，并依托現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算技術(shù)給出疲勞設(shè)計(jì)壽命，較傳統(tǒng)的彈塑性設(shè)計(jì)方法更為安全，較現(xiàn)行的斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)方法更為準(zhǔn)確合理。
【專利說(shuō)明】一種基于壽命的超高壓容器疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓力容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種基于壽命的超高壓容器疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)上通常把操作壓力在lOOMPa以上的容器稱為超高壓容器，目前已用于石油 化工、人造水晶、粉末冶金、金屬成型、食品處理等【技術(shù)領(lǐng)域】，隨著人們對(duì)超高壓技術(shù)認(rèn)知的 拓展，其應(yīng)用前景將更為廣泛。由于超高壓容器通常在極為苛刻的條件下運(yùn)行（如超高壓 聚乙烯反應(yīng)器的壓力可高達(dá)350MPa，溫度可高達(dá)350°C等），且內(nèi)部為易燃易爆物質(zhì)，一旦 失效往往并發(fā)火災(zāi)、環(huán)境污染等災(zāi)難性事故，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因 此，其可靠性至關(guān)重要。
[0003] 關(guān)于超高壓容器設(shè)計(jì)方面，美國(guó)和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開展了大量的研究工作， 并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，且頒布了相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，典型的如美國(guó)ASME W-3 "高壓容器建造的 另一規(guī)程"和日本HPIS C-103"超高壓圓筒容器設(shè)計(jì)指針"。目前我國(guó)已經(jīng)在消化吸收國(guó)外 先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)自主研發(fā)形成了 TSG R0002-2005 "超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程"， 但尚未建立相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
[0004] 超高壓容器在運(yùn)行過(guò)程中壓力和溫度隨時(shí)間波動(dòng)，以及受開停車等過(guò)程影響，經(jīng) 常承受變動(dòng)載荷作用，疲勞斷裂是其主要失效模式之一。因此，美國(guó)ASME W -3和日本HPIS C-103標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計(jì)，為提高疲勞壽命引入了自增強(qiáng)設(shè)計(jì)， 此外還涉及了以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞壽命計(jì)算。但在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)主要以簡(jiǎn)化解析形式為 主，無(wú)法準(zhǔn)確考慮局部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力分布的影響等，目前由此引發(fā)的超高壓容器失效問(wèn)題仍 時(shí)有發(fā)生；另外，在進(jìn)行斷裂力學(xué)分析時(shí)也主要考慮簡(jiǎn)單的疲勞裂紋線性擴(kuò)展，未計(jì)及占較 大疲勞壽命分?jǐn)?shù)的近門檻擴(kuò)展等問(wèn)題，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)安全裕度過(guò)大、浪費(fèi)嚴(yán)重，所以亟待開發(fā) 一種更為合理的設(shè)計(jì)方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于壽命的超高壓容器疲 勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，在兼顧制造和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的前提下，更為合理地給出超高壓容器的疲勞設(shè) 計(jì)壽命。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于壽命的超高壓容器疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟：
[0008] S1、明確超高壓容器的服役壓力和溫度要求，以及所用材料的疲勞性能數(shù)據(jù)；
[0009] S2、根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
[0010] S3、依據(jù)剪應(yīng)力最小原理，對(duì)完成初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超高壓容器進(jìn)行自增強(qiáng)處理優(yōu) 化設(shè)計(jì)；
[0011] S4、利用通用有限元軟件，對(duì)完成步驟S3得到的超高壓容器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)開展應(yīng)力 分析，得到超高壓容器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況；
[0012] S5、將步驟S4中得到的應(yīng)力分析結(jié)果換算成等效應(yīng)力，找出超高壓容器結(jié)構(gòu)的最 大局部等效應(yīng)力值；
[0013] S6、將步驟S5中的最大局部等效應(yīng)力值與所用材料的疲勞性能數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)， 當(dāng)最大局部等效應(yīng)力值大于所用材料的疲勞性能數(shù)據(jù)時(shí)，返回步驟S2,否則直接進(jìn)入步驟 S7 ；
[0014] S7、根據(jù)步驟S5的最大局部等效應(yīng)力值、所用材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值和斷裂 力學(xué)理論，計(jì)算最小初始疲勞裂紋長(zhǎng)度《Τ'，計(jì)算公式如下：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壽命的超高壓容器疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟： 51、 明確超高壓容器的服役壓力和溫度要求，以及所用材料的疲勞性能數(shù)據(jù)； 52、 根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 53、 依據(jù)剪應(yīng)力最小原理，對(duì)完成初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的超高壓容器進(jìn)行自增強(qiáng)處理優(yōu)化設(shè) 計(jì)； 54、 利用通用有限元軟件，對(duì)完成步驟S3得到的超高壓容器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)開展應(yīng)力分 析，得到超高壓容器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況； 55、 將步驟S4中得到的應(yīng)力分析結(jié)果換算成等效應(yīng)力，找出超高壓容器結(jié)構(gòu)的最大局 部等效應(yīng)力值； 56、 將步驟S5中的最大局部等效應(yīng)力值與所用材料的疲勞性能數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)最大 局部等效應(yīng)力值大于所用材料的疲勞性能數(shù)據(jù)時(shí)，返回步驟S2,否則直接進(jìn)入步驟S7 ; 57、 根據(jù)步驟S5的最大局部等效應(yīng)力值、所用材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值和斷裂力學(xué) 理論，計(jì)算最小初始疲勞裂紋長(zhǎng)度，計(jì)算公式如下：
式中：《Γ為最小初始疲勞裂紋長(zhǎng)度，m ; AKth為所用材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值，MPam1/2 ; 是依據(jù)步驟S4的有限元分析獲得的最大等效應(yīng)力范圍，MPa ; Y為修正系數(shù)； 58、 根據(jù)材料斷裂韌性和斷裂力學(xué)理論，計(jì)算最大疲勞裂紋長(zhǎng)度af，計(jì)算公式如下：
式中：af為最大疲勞裂紋長(zhǎng)度，m ; KIC為所用材料的斷裂韌性，MPam1/2 ; 是依據(jù)步驟S4的有限元分析獲得的最大等效應(yīng)力，MPa ; Y為修正系數(shù)； 并基于疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立精確的描述疲勞裂紋擴(kuò)展速率的方程，方程式如 下：
式中：da/dN為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，m/cycle ; a為疲勞裂紋長(zhǎng)度，m; N為載荷循環(huán)次數(shù)，cycle ; ΛΚ為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，MPam1/2 ; AKth為所用材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值，MPam1/2 ; c和η為擬合系數(shù)； 59、 根據(jù)步驟S7的最小初始疲勞裂紋長(zhǎng)度、步驟S8的最大疲勞裂紋長(zhǎng)度和描述疲勞裂 紋擴(kuò)展速率的方程，編寫迭代程序進(jìn)行計(jì)算得到超高壓容器的預(yù)計(jì)使用壽命； 510、 將步驟S9的計(jì)算結(jié)果與超高壓容器疲勞設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行比較，滿足設(shè)計(jì)壽命要求 則進(jìn)入步驟S16,否則重新進(jìn)入步驟S2 ; 511、 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】G01N3/32GK104122137SQ201410212186
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】陳學(xué)東, 聶德福, 范志超, 危書濤, 許明, 汪睿 申請(qǐng)人:合肥通用機(jī)械研究院