半球封头圆柱壳结构的塑性极限载荷分析

摘要

压力容器是在国民经济中具有重要应用价值的设备，广泛应用于石油化工、能源工业、科研与军工等行业，其工作介质一般具有高温、高压、腐蚀性强等特点，其设计制造的不合理易导致爆炸、燃烧、起火等危及人民生命、物质财产安全及环境污染的事故。世界各国都对压力容器的设计制造过程予以高度重视。
　　随着有限元分析法和计算机技术的快速发展，针对压力容器常规设计方法存在的盲目性和应力分类法存在的高成本与不确定性等问题，出现了以塑性分析为基础的极限载荷分析法。极限载荷分析与美国ASME标准中的弹塑性分析在分析思路上是一致的，只是极限载荷分析的数值模型对真实情况作了一定的简化，弹塑性分析相对来说更加符合实际情况，但是它的计算分析成本也更高，最重要的是，目前各种材料考虑应变强化效应的真实应力—应变数据还很欠缺。所以现阶段对极限载荷分析法（不考虑材料硬化效应）的广泛应用是当务之急。
　　半球封头圆柱壳结构是压力容器行业中的典型结构，将极限载荷分析法应用在其设计当中对推动压力容器行业设计方法的更新与进步具有重要意义。本文将采用大型非线性分析软件ABAQUS对半球封头圆柱壳结构采用有限元数值模拟技术研究结构参数对其在内压作用下的极限载荷的影响规律以及该结构在极限状态下的失效形式。主要结论如下:(1)球壳结构与圆柱壳结构在同样条件下的承载能力是不同的，且球壳结构的承载能力相对较大;(2)半球封头圆柱壳结构在极限载荷下有三种失效模式，一是球壳结构的承载能力相对较大时，由筒体的膨胀变形而导致的结构破坏;二是当圆柱筒体的承载能力较大时，由球壳部分膨胀变形而导致结构的破坏;三是当球壳与圆柱壳承载能力相当时，球壳与圆柱壳同时出现球壳的膨胀变形和圆柱筒体的轴向拉伸变形导致结构的破坏。(3)该结构的结构参数当中，壳体半径是最主要因素，壳体厚度次之，壳体长度是次要因素;结构的极限载荷随着圆柱壳体半径增加单调递减;随着圆柱壳体厚度增加单调递增;随着圆柱壳体长度增加变化不明显。(4)设计了研究球壳与柱壳最佳厚度比（使两者承载能力相当）的方案，找到最佳厚度比，并进行验证，证明了它的有效性。(5)对半球封头圆柱壳结构中封头与筒体不同的不等厚连接形式进行了有限元极限载荷分析，发现连接形式对极限载荷的影响微乎其微，可以忽略。(6)拟合半球封头圆柱壳结构的极限载荷工程应用公式，并验证其有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 压力容器设计方法国内外研究现状

1．2．1 常规设计方法

1．2．2 分析设计方法

1．3 极限载荷分析法在国内外研究及进展

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 极限分析的理论基础

1．4．1 极限分析的任务和条件

1．4．2 极限分析中的几个假设

1．4．3 确定极限载荷的方法

1．4．4 极限分析的几个特点

1．4．5 确定极限载荷的准则

1．5 本文的主要研究内容

1．6 本文的研究意义

第二章 极限分析的弹塑性理论

2．1 压力容器中的应力

2．2 本构关系

2．2．1 塑性本构关系

2．2．2 理想弹塑性材料的增量型本构方程

2．3 屈服准则

2．3．1 屈雷斯加屈服准则

2．3．2 米塞斯(Von Mises)屈服准则

2．4 强化模型

2．4．1 等向强化模型

2．4．2 随动强化模型

2．4．3 组合强化模型

2．5 极限载荷分析本质

第三章 半球封头圆柱壳的极限载荷分析

3．1 有限元法对结构进行极限载荷分析

3．2 有限元法的基本原理

3．3 ABAQUS简介

3．3．1 ABAQUS材料非线性分析

3．3．2 ABAQUS材料非线性分析方法

3．3．3 ABAQUS／Standard进行极限载荷分析

3．3．4 分析步、增量步和迭代步

3．3．5 平衡迭代和收敛

3．3．6 自动增量控制

3．3．7 分析时间与载荷

3．4 有限元模型的建立

3．5 材料模型的建立

3．6 单元的选择及网格的划分

3．7 载荷及约束条件

3．8 设置分析步

3．9 极限载荷的确定

3．10 半球封头圆柱简体的失效行为分析

3．11 本章小结

第四章 结构参数对极限载荷的影响

4．1 正交试验法

4．1．1 正交表的性质

4．1．2 正交试验设计的极差分析

4．1．3 极差分析的任务

4．2 试验方案设计

4．3 试验结果及分析

4．4 半球封头圆柱壳结构的失效分析

4．5 筒体与半球封头厚度最佳比值分析

4．6 最佳比值的验证

4．7 不等厚连接形式对极限载荷的影响

4．8 半球封头圆柱壳极限载荷的公式拟合

4．9 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果