亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能研究

林 靜，那 帥，唐偉東

（1.沈陽博帥材料科技有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.惠州學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東 惠州 516007）

隨著近幾年經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在石油、核電、低溫工程等行業(yè)技術(shù)升級的帶動(dòng)下，各行業(yè)對壓力容器及其配件的需求也在逐漸增長。緊固件是將二個(gè)或多個(gè)元件以機(jī)械方式固定或粘合在一起的機(jī)械元件，是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械基礎(chǔ)件，需求量很大，廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械、設(shè)備、車輛等上面。在壓力容器呈現(xiàn)大型化和使用條件更加苛化的趨勢下，奧氏體不銹鋼緊固件作為低溫容器[1]中的重要制作材料，奧氏體還具有很好的低溫沖擊韌性使其成為低溫工況下比較理想的使用材料。但是由于奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度比值較低，在一定安全系數(shù)的前提下其應(yīng)力值會(huì)比較小，經(jīng)過這樣設(shè)計(jì)出來的壓力容器壁厚通常較大，導(dǎo)致材料的實(shí)際承載能力較低，并且還會(huì)導(dǎo)致壓力容器的重量加大、材料浪費(fèi)等情況。因此，對奧氏體不銹鋼緊固件承載性能的研究十分有必要。

為保證亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼緊固件具有良好的承載性能，從奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度、支撐軸力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量這三方面對承載性能進(jìn)行了研究，通過對奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能研究為實(shí)際應(yīng)用提供一定的依據(jù)，具體研究如下所示。

1 奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能

1.1 支撐剛度

對于不銹鋼緊固件來說，支撐剛度對是承載性能的重要組成之一，其受到局部破壞壓力的影響嚴(yán)重。因此，由于有限元法[2]的非線性解釋和解決復(fù)雜模型的適配性，對不銹鋼緊固件的支撐剛度研究十分適用。為更好地對奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度分析，選取某公司生產(chǎn)的緊固件，對其進(jìn)行分析，選取的試樣形狀尺寸如表1所示：

表1 試樣形狀尺寸

表1為選取的試樣形狀尺寸，以上述表的試樣形狀尺寸作為研究目標(biāo)，因?yàn)槠渚哂蟹蔷€性特征，本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響到有限元分析結(jié)果，所以在進(jìn)行分析時(shí)，輸入上述試樣真實(shí)的應(yīng)力和對應(yīng)的真實(shí)塑性應(yīng)變、名義應(yīng)力，對奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

公式（1）中，K(c,m)代表支撐剛度分析參數(shù)，l 代表真實(shí)應(yīng)力，i代表名義應(yīng)力，f代表所能承受的支撐剛度，此次計(jì)算不做定向分析。

通過上述公式得出奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度，并得出奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度應(yīng)變曲線：

圖1 奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度應(yīng)變曲線

如圖所示為奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度應(yīng)變曲線，分析圖可知在奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能增加的過程中，有限元解逐漸降低，逐漸減小了塑性的升溫壓力[3]。分析得知，支撐剛度不斷提升時(shí)，有限元模型解也隨之提高，說明隨著徑比的增加，有限元解逐漸增大，支撐剛度也不斷增大，由此完成對奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度的分析，下一步對奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力進(jìn)行分析。

1.2 支撐軸力

通過上述計(jì)算的奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度的基礎(chǔ)上，對奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力進(jìn)行分析。在有限元求解出現(xiàn)不收斂情況時(shí)的鋼支撐軸力為該奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力，在求解結(jié)束后，獲得有限元求解的全應(yīng)變隨符合變化的情況，鋼支撐軸力應(yīng)變曲線如圖所示：

圖2 鋼支撐軸力真實(shí)應(yīng)變曲線

圖2 為鋼支撐軸力真實(shí)應(yīng)變曲線，根據(jù)應(yīng)變情況，建立有限元模型，在本文建立的有限元模型中，應(yīng)力情況最接近簡單平面應(yīng)力部位為中間部位，以此分析是從高有限元模型中的端部提取數(shù)據(jù)，選取其中應(yīng)變?yōu)?%到塑性失穩(wěn)時(shí)的鋼支撐軸力應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)10 個(gè)左右，并把這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行記錄，從鋼支撐軸力的真實(shí)承載力找出這些對應(yīng)點(diǎn)對應(yīng)的真實(shí)承載能力，然后將承載能力代入公式中，計(jì)算公式為：

公式（2）中，Lh代表鋼支撐軸力點(diǎn)應(yīng)變值[4]，代表真實(shí)鋼支撐軸力數(shù)據(jù)點(diǎn)，f代表公式處理因子，此次計(jì)算不做定向分析。

通過上述公式求出每個(gè)應(yīng)變點(diǎn)的鋼支撐軸力的解析式值，然后就可以通過該鋼支撐軸力值與解析有限元求得的值進(jìn)行比較，以此完成對奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力的分析，將在下一步對奧氏體不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行分析。

1.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

通過分析奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度和奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力的基礎(chǔ)上，分析奧氏體不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。首先對奧氏體不銹鋼緊固件的局部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)槠溆绊憡W氏體不銹鋼緊固件承載壓力的重要因素，在對奧氏體不銹鋼緊固件的局部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行計(jì)算后，得出奧氏體不銹鋼緊固件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量受壓力和應(yīng)變關(guān)系圖，如圖所示：

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量受壓力和應(yīng)變關(guān)系圖

圖3 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量受壓力和應(yīng)變關(guān)系圖，由于奧氏體不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量性能較好，A點(diǎn)為奧氏體不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量壓力最大壓力點(diǎn)[5]，也就是奧氏體不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所能承受的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量失穩(wěn)壓力點(diǎn)，AB則屬于爆破階段，此階段內(nèi)的壓力突然急劇增大，使奧氏體不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也相應(yīng)有所減小，降到B點(diǎn)，把轉(zhuǎn)動(dòng)慣量看做為爆破壓力，此時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變?yōu)閵W氏體不銹鋼緊固件的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但是當(dāng)奧氏體不銹鋼緊固件存在局部約束較大區(qū)域時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的斷裂應(yīng)變變小，容易導(dǎo)致壓力容器發(fā)生局部破壞，這時(shí)C點(diǎn)所對應(yīng)的局部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為奧氏體不銹鋼緊固件的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此通過上述過程得到奧氏體不銹鋼緊固件的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

公式中，Pdf為Pdf奧氏體不銹鋼緊固件的實(shí)際承載能力，g( k )代表轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[6]，Rt代表局部破壞壓力，此次計(jì)算不做定向分析。

通過上述過程完成對奧氏體不銹鋼緊固奧氏體不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分析，希望通過此次分析能夠?yàn)闄C(jī)械、設(shè)備、車輛等生產(chǎn)上面提供一定的幫助，更好的了解亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能才能對亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼緊固件合理運(yùn)用。

2 結(jié)語

綜上所述，奧氏體不銹鋼緊固件在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，所以對其承載能力進(jìn)行研究。本文主要從奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度、奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力和奧氏體不銹鋼緊固件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量這三方面對奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境下的奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能有所不同。

通過分析奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能，能夠?qū)⑷萜鞯膽?yīng)變強(qiáng)化階段的穿在能力進(jìn)行模擬，會(huì)大大降低設(shè)計(jì)過程中容器局部發(fā)生破壞的發(fā)生率，一定程度上提高了容器的實(shí)際承載能力。希望通過此次研究，能夠?yàn)楦鱾€(gè)領(lǐng)域應(yīng)用奧氏體不銹鋼緊固件提供一定的依據(jù)，以更好的對其應(yīng)用，加深對奧氏體不銹鋼緊固件承載性能的了解，推動(dòng)我國的發(fā)展。