鋼瓶壓力容器殘余應(yīng)力的發(fā)展與分析

徐桑波

[摘 要]壓力容器在航空航天應(yīng)用中的應(yīng)用是多方面的。在此工作中，使用具有2D軸對(duì)稱(chēng)模型的ANSYS軟件包進(jìn)行有限元分析，以獲得具有焊接殘余應(yīng)力的碳鋼制圓柱形壓力容器的故障壓力。為了找出殘余應(yīng)力對(duì)破壞壓力的影響，首先進(jìn)行彈塑性分析，找出沒(méi)有殘余應(yīng)力的壓力容器的破壞壓力。然后進(jìn)行熱機(jī)械有限元分析，以評(píng)估在焊接過(guò)程中在壓力容器中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。最后進(jìn)行一次彈塑性分析，以評(píng)估殘余應(yīng)力對(duì)具有殘余應(yīng)力的壓力容器的破壞壓力的影響。該分析表明由于不利的殘余應(yīng)力導(dǎo)致的故障壓力的降低。

[關(guān)鍵詞]殘余應(yīng)力；鋼瓶壓力容器；破壞壓力

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）25-0015-01

1.引言

圓柱壓力容器用于各種領(lǐng)域，如化學(xué)和核工業(yè)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體制造和生產(chǎn)許多武器系統(tǒng)。圓柱形壓力容器可以承受的故障壓力的評(píng)估在壓力容器的設(shè)計(jì)中是重要的考慮因素。在預(yù)測(cè)壓力容器的故障壓力的同時(shí)，還需要考慮壓力容器中已經(jīng)存在的殘余應(yīng)力。正在使用各種方法來(lái)估算故障壓力?；贕PD（全球塑性變形）的有限元技術(shù)也用于評(píng)估失效壓力，其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常一致。焊接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造船舶，離岸結(jié)構(gòu)，鋼橋梁和壓力容器。由于焊接過(guò)程的局部加熱和隨后的快速冷卻，通常產(chǎn)生屈服強(qiáng)度的殘余應(yīng)力通常在焊縫中產(chǎn)生。有限元方法已被用于分析各種類(lèi)型的焊接接頭[1]。

2.發(fā)展進(jìn)程

Iranmanesh和Darvazi[2]進(jìn)行了對(duì)接焊接板溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的有限元模擬。Deng和Murakawa利用ABAQUS生成2D軸對(duì)稱(chēng)有限元模型，模擬不銹鋼管道多通焊縫中的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力狀態(tài)。他們也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并證明了他們的分析結(jié)果是否正確。他們還表示可以使用2D模型以合理的精度節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間。Jeyakumar等已經(jīng)進(jìn)行了二維有限元分析，并預(yù)測(cè)了對(duì)接焊接的兩種相似的低合金鐵素體鋼板和鋼板中的焊接引起的殘余應(yīng)力。Jiang和Yahiaoui已經(jīng)生成了一個(gè)完整的3D熱機(jī)械有限元模型，用于通過(guò)使用元素去除/再活化技術(shù)來(lái)模擬填充材料的沉積來(lái)預(yù)測(cè)厚壁三通分支連接中的厚度焊接殘余應(yīng)力分布。Melicher等[15]利用ANSYS生成三維有限元模型，用于圓周焊接接頭的熱機(jī)械分析。Yaghi等評(píng)估了鋼管軸對(duì)稱(chēng)單多通對(duì)接焊縫中的殘余應(yīng)力，考慮到溫度依賴性材料性質(zhì)，并允許固態(tài)相變（SSPT），除了包含熱處理有時(shí)間研究焊后熱處理（PWHT）的影響。Lu和Hassan對(duì)接焊和插座焊管進(jìn)行了熱和殘余應(yīng)力分析，并根據(jù)現(xiàn)有測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了其分析結(jié)果。Nadimi等利用元素分娩和死亡技術(shù)對(duì)兩種不同鋼管進(jìn)行對(duì)接焊接中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了FEA，以模擬填充金屬沉積。Fanous等]對(duì)金屬沉積和非金屬沉積焊接過(guò)程進(jìn)行了三維有限元建模與仿真。元素運(yùn)動(dòng)技術(shù)用于金屬沉積，以最小化計(jì)算時(shí)間。Tahami和Sorkhabi20進(jìn)行了三維有限元分析，研究了板厚對(duì)對(duì)焊鋼板殘余應(yīng)力的影響。Moraitis和Labeas21開(kāi)發(fā)了兩級(jí)三維有限元模型，以預(yù)測(cè)鋼和鋁壓力容器的激光束焊接（LBW）中的鍵孔形成和熱機(jī)械響應(yīng)。Wang等采用FEM分析了真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)真空室的靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性。Katsuyama等[3]通過(guò)一些案例研究評(píng)估了焊接殘余應(yīng)力和初級(jí)水分脅迫腐蝕開(kāi)裂（PWSCC）生長(zhǎng)速率對(duì)裂紋滲透的影響。焊接仿真仍然是CPU時(shí)間要求和復(fù)雜性。為了降低復(fù)雜性并保持殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，需要簡(jiǎn)化2D焊接仿真程序。

顯然，在壓力容器生產(chǎn)中應(yīng)用新概念可能存在許多問(wèn)題，其中許多問(wèn)題沒(méi)有考慮壓力容器中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。減少這些應(yīng)力可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的顯著增加。在本文中，F(xiàn)EA已經(jīng)使用具有2D軸對(duì)稱(chēng)模型的ANSYS軟件包進(jìn)行，以訪問(wèn)由碳鋼制成的圓柱形壓力容器的對(duì)接焊接中的焊接引起的殘余應(yīng)力，并預(yù)測(cè)具有和不具有焊接殘余應(yīng)力的失效壓力。通過(guò)FEA評(píng)估壓力容器的失效壓力，并將其結(jié)果與現(xiàn)有的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們有很好的一致性。

3.有限元分析

通過(guò)利用弱結(jié)構(gòu)到熱場(chǎng)耦合的優(yōu)點(diǎn)，焊接的復(fù)雜耦合熱機(jī)械分析分為兩部分。在第一部分，進(jìn)行非線性瞬態(tài)熱分析以預(yù)測(cè)焊接過(guò)程完整熱循環(huán)的域的溫度歷史。為了獲得熱歷史，瞬態(tài)，非線性熱問(wèn)題是使用溫度依賴的熱性質(zhì)和考慮熱傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射邊界條件來(lái)解決的。在熱分析中，熱通量在2157個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中指定。從最高溫度冷卻至室溫（600℃）需要6009秒。在第二部分中，進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)分析，其中在熱分析期間計(jì)算的溫度歷史隨溫度依賴的機(jī)械性質(zhì)被應(yīng)用作為體負(fù)荷以獲得瞬態(tài)和殘余應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)構(gòu)分析中的負(fù)載步驟與相應(yīng)的熱負(fù)荷步驟保持一致。由于加載步驟太多，所以采用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）進(jìn)行熱分析和結(jié)構(gòu)分析。對(duì)于該壓力容器的故障壓力分析以及存在的殘余應(yīng)力以評(píng)估殘余應(yīng)力對(duì)破壞壓力的影響，從熱應(yīng)力分析的終止（最終）載荷步驟以及施加的內(nèi)部壓力重新開(kāi)始分析，并執(zhí)行至GPD。對(duì)應(yīng)于GPD的壓力將是故障壓力。

4.結(jié)語(yǔ)

壓力容器是一個(gè)涉及多行業(yè)、多學(xué)科的綜合性產(chǎn)品，其建造技術(shù)涉及到冶金、機(jī)械加工、腐蝕與防腐、無(wú)損檢測(cè)、安全防護(hù)等眾多行業(yè)。壓力容器廣泛應(yīng)用于化工、石油、機(jī)械、動(dòng)力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部門(mén)。它是生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的核心設(shè)備，是一個(gè)國(guó)家裝備制造水平的重要標(biāo)志。2D使用ANSYS軟件包進(jìn)行軸對(duì)稱(chēng)模型的有限元分析，以獲得具有焊接殘余應(yīng)力的碳鋼制圓柱形壓力容器的故障壓力。進(jìn)行彈塑性分析以找出沒(méi)有殘余應(yīng)力的壓力容器的失效壓力。為了評(píng)估由于焊接而存在于壓力容器中的殘余應(yīng)力，進(jìn)行熱機(jī)械有限元分析。還進(jìn)行了另一種彈塑性分析，以評(píng)估殘余應(yīng)力對(duì)具有殘余應(yīng)力的壓力容器的破壞壓力的影響。從該分析可以看出，由于不利的殘余應(yīng)力，故障壓力降低。還通過(guò)FEA評(píng)估了壓力容器的失效壓力，并將其結(jié)果與分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)它們具有良好的一致性。所提出的結(jié)果可以合成，以提供使用航空航天壓力容器應(yīng)用的一些近似準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳學(xué)東，崔軍，章小滸，關(guān)衛(wèi)和，壽比南，謝鐵軍.我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)十年回顧與展望[J].壓力容器，2012，（12）：1-23.

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[4] 陸明萬(wàn)，壽比南，楊國(guó)義.壓力容器分析設(shè)計(jì)的塑性分析方法[J].壓力容器，2011，（01）：33-39.