多层组合超高压容器的残余应力分析与强度设计

摘要

随着超高压技术应用的日益广泛，需要压力容器在超高压力、高温、腐蚀等苛刻条件下工作，这对超高压容器的结构、强度和材料等都提出了更严格的要求，为保证容器安全可靠的长期运行，研究组合超高压容器具有重要的意义。本文主要研究了超高压容器的爆破压力预测、多层缩套容器的优化设计、缩套与自增强技术相结合的双层组合容器的残余应力计算以及剖分式三层组合超高压容器的优化设计，具体研究成果如下：
　　 (1)采用BP神经元网络原理，以影响容器爆破压力的4个主要参数为网络输入参数，建立了预测超高压容器爆破压力的BP神经网络模型。实际的验证与对比结果表明，建立的BP神经网络模型能够较为准确的预测超高压筒形容器的爆破压力。这种方法不用研究结构加载历史，只关心结构在极限状态下的承载能力，避开了解决塑性问题遇到的难点，为超高压容器的设计提供了一条先进、合理的途径。
　　 (2)研究了不同材料制成的多层缩套简体的强度优化设计。用厚壁筒的弹性理论及等强度设计方法，以最大剪应力理论为强度条件，以总径比(筒体的外径与内径之比)为约束，以各层径比为设计变量，以弹性承压能力最大为目标建立了多层容器的优化设计数学模型。应用Lagrange乘子法优化算法得到了各层最优径比计算公式。在此基础上推导了最优缩套压力及最优过盈量公式。过盈量精确解的给出，避免了使用当量弹性模量计算的误差，保证了装配后的容器具有最适宜的周向残余应力，不仅提高了容器的承压能力而且提高了容器的安全性。
　　 (3)基于混合双线性材料模型，使用有限元软件ANSYS的APDL语言建立了厚壁筒的自增强残余应力计算参数化模型。利用该模型研究了材料卸载应变硬化系数Et2对残余应力的影响。结果表明：Et2只影响反向屈服区的残余应力分布，随着Et2的增大，筒壁的最大残余压应力由反向屈服半径处移动到内壁。这为自增强厚壁筒是否可发生反向屈服提供了判断依据。
　　 (4)基于材料实际拉/压应力-应变曲线，研究了内外筒分别进行自增强处理后再进行缩套的双层筒残余应力。在分析内外筒载荷历史的基础上，将内筒的自增强卸载和缩套效应同时考虑，给出了内外筒残余应力的精确解析解。将解析解与有限元仿真值进行对比，两者结果吻合。讨论了缩套压力对内外筒残余应力的影响、操作压力与最优超应变百分比的关系。
　　 (5)考虑缩套残余应力的影响，研究了双层缩套厚壁筒自增强残余应力问题。首先采用有限元增广拉格朗日接触算法，基于ANSYS平台，使用APDL语言开发了双层缩套筒参数化接触模型。利用该模型分析了主要参数缩套过盈量与缩套半径对残余应力的影响规律以及对最大弹性承压能力的影响。首次推导出了基于理想弹塑性材料力学模型的双层缩套筒残余应力解析解。将本文的有限元分析值与解析解进行比较，在屈服区结果一致，而在弹性区略有差别。
　　 (6)研究了内层为剖分层，外层为自增强后缩套的双层整体筒组合超高压容器的优化设计。以等强度理论为设计原则，以强度失效准则为约束，整体壁厚最小为目标，各层外径、中层和外层自增强屈服半径及层间缩套压力为设计变量，建立了该类剖分式组合容器的优化设计模型。最后用内点法对算例进行了优化，结果表明了模型的正确性与算法的有效性。