热预应力内压厚壁圆筒自增强技术研究与仿真

摘要

内压厚壁圆筒在承受高压或超高压时，通常采用自增强技术来提高其承载能力及疲劳寿命;主要有液压自增强、机械自增强等方法，但这些方法在应用上仍有一定的难度。热预应力自增强技术通过在筒体的内、外壁制造温差来实现自增强，操作简单、安全经济。因此，对热预应力自增强理论进行研究，分析温差对承载能力的影响十分必要。
　　本文以内压厚壁圆筒为研究对象，采用理论研究和数值模拟的方法，围绕热预应力自增强的几个重要阶段开展基础研究，从而为热预应力自增强技术的运用提供理论支持。研究工作主要包括以下几个方面:
　　首先系统地研究了厚壁圆筒的弹性热应力理论。基于理想弹塑性材料，采用Tresca屈服准则得到了内壁屈服临界温差、内压与弹性热应力叠加的总应力以及自增强后最高承载能力与温差关系的计算公式，总结了弹性热应力的分布规律和温差对承载能力的影响。然后，建立了弹塑性变形区的力学分析模型。在此基础上，得到了平面应力状态下，厚壁圆筒在弹塑性变形阶段的热应力、残余应力及总应力表达式;采用MATLAB编程求解了弹塑性交界半径和外壁屈服临界温差的数值解，展示了各项应力分布曲线;研究了此阶段内压厚壁圆筒适宜的自增强方法。最后，建立了热预应力自增强过程的仿真模型。基于热—结构耦合分析和塑性分析，采用ANSYS对自增强过程进行仿真;预测了弹塑性应力分布及弹塑性交界面的位置。对比理论计算结果和仿真结果，验证了理论分析的准确性和仿真的可靠性。
　　研究表明:在弹性阶段，内压厚壁圆筒自增强后的最高承载能力随温差增大而线性提高;内加热适合此阶段的自增强处理。在塑性阶段，外加热引起的残余应力在内壁处为压应力。采用该应力作为厚壁圆筒的预应力时，自增强后的最高承载能力不随温差增大而线性增长，该特性为深入研究其承载能力提供了参考。ANSYS仿真分析是简化理论计算过程、提高研究效率的重要手段。

目录

摘要

1．绪论

1．1 研究背景

1．1．1 内压厚壁圆筒形压力容器发展概述

1．1．2 自增强技术机理及其优越性

1．2 国内外自增强技术的研究现状

1．2．1 自增强技术的方法及研究内容

1．2．2 热应力白增强方法的提出

1．3 论文研究内容及意义

2．厚壁圆筒的热应力分析

2．1 弹性热应力求解

2．1．1 厚壁圆筒弹性分析理论

2．1．2 热应力分析概述

2．1．3 基于弹性理论的热应力分析及求解

2．1．4 算例分析

2．2 弹塑性热应力求解

2．2．1 厚壁圆筒塑性分析理论

2．2．2 热塑性应力分析及求解

2．2．3 算例分析

2．3 本章小结

3．厚壁圆筒的残余应力分析

3．1 弹塑性变形第一阶段的残余应力

3．1．1 卸载定理概述

3．1．2 第一阶段的残余应力求解

3．1．3 算例分析

3．2 弹塑性变形第二阶段的残余应力

3．2．1 第二阶段的残余应力求解

3．2．2 算例分析

3．3 本章小结

4．热预应力内压厚壁圆筒自增强后的总应力分析

4．1 弹性热应力自增强后的总应力分析

4．1．1 内压下厚壁圆筒的应力分析

4．1．2 热—机械载荷作用时厚壁圆筒的总应力分析

4．1．3 算例分析

4．1．4 结论

4．2 弹塑性热应力自增强后的总应力分析

4．2．1 弹塑性变形第一阶段总应力分析

4．2．2 弹塑性变形第二阶段总应力分析

4．3 本章小结

5．热预应力内压厚壁圆筒自增强过程的有限元仿真

5．1 基于ANSYS的热应力仿真

5．1．1 耦合场分析概述

5．1．2 耦合场分析方法

5．2 厚壁圆筒在弹性热应力阶段自增强过程的有限元仿真

5．2．1 分析问题

5．2．2 弹性热应力有限元仿真

5．2．3 总应力有限元仿真

5．3 基于ANSYS的塑性分析

5．3．1 ANSYS塑性分析概述

5．3．2 在ANSYS中进行材料非线性分析

5．4 厚壁圆筒在弹塑性变形阶段的有限元仿真

5．4．1 分析问题

5．4．2 第一阶段弹塑性热应力有限元仿真

5．4．3 第二阶段弹塑性热应力有限元仿真

5．5 本章小结

6．结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢

声明