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壓力容器疲勞壽命的有限元分析

發布于:2024-04-10 19:42
有限元分析

      目前,幾乎在工業生產的所有領域,壓力容器被廣泛使用,然而其一旦發生事故,可能產生極其嚴重的后果。與此同時,壓力容器裂紋的產生,一直是壓力容器發生事故的一個重大隱患,故對壓力容器的安全評定及壽命預測具有重要的工程實際意義。本文基于合理使用原則,對含平行裂紋缺陷球罐進行裂紋的簡化評定,采用較為精確的方法計算球罐的疲勞壽命有限元分析,基于ANSYS軟件的高準確性,分析了平行裂紋間距對應力強度因子的影響,得出裂紋尖端應力強度因子隨著平行裂紋間距的變化規律。
      研究一球形儲罐,其技術參數如表1,材料為07MnNiMoVDR鋼,查閱相關資料確定其屈服強度σs為520MPa,彈性模量E為206GPa。
      在球形儲罐內壁一側存在兩條互相平行的裂紋,其裂紋間距為4mm,規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規定,可按照共面裂紋對其進行合并,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的相關規定對合并后的裂紋進行簡化評定,簡化評定結果如下圖1所示。
      如圖可知評定結果為安全,表面裂紋是安全的,此壓力容器可以繼續使用。
      基于ANSYS軟件的功能,為了更加精確的得出球罐薄膜應力Pm與彎曲應力Pb的值,本文利用ANSYS軟件來求取。在求。校砼cPb的過程中,先求得球罐的應力分布云圖,如圖所示。之后定義分析路徑,將SINT應力分解并將分解后的值在分析路徑上映射出來,再對各應力進行線性化處理,如圖所示。最后運行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GB/T19624中的相關規定,可以得知二次應力的取值為Qm=0MPa,Qb=0.3σs=156MPa?偟膽τ嬎愎綖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的確定根據相關文獻得知07MnNiMoVDR的沖擊功Akv=80J,故根據公式:K1c=9.35(Akv)0.63(2)經過單位換算可求得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由前邊計算可知σ=422.2MPa<σs=520MPa,故選擇(4)式進行計算,可求得αN=20mm。
      ΔK的計算:
      對儲罐進行泄壓時,壓力將降為常壓,故壓力的波動比率為0.91。根據GB/T19624及相關文獻中的計算公式可求得:ΔK=1142.4N/mm32。


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