热—机械耦合场作用下夹套式平盖的应力分析与结构优化设计研究

摘要

对于非标准压力容器结构设计，不宜采用现有压力容器设计标准进行规范设计，需要通过有限元分析设计方法对其进行详细应力分析与结构设计。分析设计的基础是弹性应力分析、塑性失效准则以及弹塑性失效准则，其对压力容器材料选择、制造过程、检验以及验收规定比传统规范设计更加严格。随着计算机技术快速发展和数值理论日趋成熟，分析设计方法已经广泛应用于压力容器设计。本文通过有限元方法，基于理想弹塑性材料模型，重点研究了夹套式平盖在机械载荷、热载荷、热-机械载荷耦合作用下的力学性能。采用优化设计方法对夹套式平盖上、下面板厚度进行了合理设计，并基于应力线性化技术，使用应力分类法评估了结构的可靠性，同时也对夹套式平盖结构的焊接残余应力进行了数值模拟与评定，为此类夹套结构的设计和强度评定提供了一定参考。主要研究内容包括：
　　⑴根据夹套式平盖结构特点，对模型进行了合理简化，并分别采用全实体模型、全壳模型、多点约束(MPC)法建立了夹套式平盖结构的有限元模型，通过对比分析发现MPC法与全实体模型计算的位移值接近，说明了MPC法具有计算精度高、节省计算时间的优点。
　　⑵当夹套式平盖承受机械载荷作用时，在其上、下面板总厚度保持为118 mm不变，且每层面板厚度不小于25 mm时，则无论上、下面板厚度如何分布，可以得到几乎相近的位移量，否则面板大部分区域的应力会达到材料屈服强度而发生大面积塑性变形，进而导致结构位移显著增加。研究了支撑形式和夹套结构的空腔高度对夹套式平盖结构力学性能的影响，计算结果表明支撑形式对结构的力学性能有显著影响，可以在位移和应力较大区域增设工艺接管来起到增强作用;结构的整体位移和应力值都随着空腔高度的增大而减小，增加空腔高度有利于提高结构的力学性能，但会增加材料的用量，进而显著增加制造成本。综合考虑结构换热量、力学性能以及制造成本等因素，取空腔高度为202 mm。
　　⑶对夹套式平盖结构进行了热载荷、热-机械载荷耦合分析，模拟结果表明热载荷对结构位移有显著影响;在热-机械载荷耦合作用下，结构的最大位移发生在夹套式平盖中心位置，最大等效应力发生在面板与工艺接管连接区域。在上面板的上表面发生了大面积塑性变形，应力值达到了材料屈服强度，符合理想弹塑性材料性能特征。
　　⑷夹套式平盖结构上、下面板厚度分布对其力学性能有显著影响，本文建立了其上、下面板厚度优化的数学模型，并采用APDL语言编写了相应的优化程序，得到了夹套式平盖最佳面板厚度分布。基于最优化结构，采用应力线性化技术对危险截面上的应力进行分类，并与相应的许用应力值进行比较，评定结果表明结构满足强度要求。
　　⑸夹套式平盖结构上、下面板与工艺接管通过焊缝连接，而焊缝区往往是结构失效的最薄弱环节。因此，本文基于APDL语言，采用内生热模型、生死单元技术以及热-结构间接耦合法对夹套式平盖上、下面板与工艺接管连接结构的焊接残余应力进行了数值模拟，获得了焊接结构残余应力的大小与分布规律，为夹套式平盖结构强度评定和寿命评估提供了有效方法和定量依据，同时也为后续焊接残余应力的消除提供了一定指导作用。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 平盖封头研究进展

1．2 压力容器设计方法

1．2．1 常规设计

1．2．2 分析设计

1．2．3 分析设计与常规设计对比

1．3 不同单元组合建模方法

1．4 压力容器优化设计

1．5 压力容器强度评定

1．5．1 极限载荷分析

1．5．2 应力分类法

1．6 焊接残余应力

1．6．1 焊接残余应力的概念

1．6．2 影响焊接残余应力的因素

1．6．3 焊接残余应力数值模拟研究进展

1．6．4 控制焊接残余应力的方法

1．7 本课题研究内容

2 夹套式平盖机械载荷分析

2．1 平盖封头厚度估算

2．2 建立有限元模型

2．2．1 建模方法选取

2．2．2 单元选择

2．2．3 材料特性与网格划分

2．2．4 载荷及边界条件

2．3 计算结果分析

2．3．1 模型验证

2．3．2 面板厚度分布影响

2．3．3 支撑形式的影响

2．3．4 空腔高度影响

2．4 本章小结

3 夹套式平盖耦合场分析

3．1 热分析理论

3．1．1 热能传递的基本方式

3．1．2 稳态传热

3．1．3 传热边界条件

3．2 建立有限元模型

3．2．1 单元选择

3．2．2 材料性能参数

3．2．3 网格划分

3．2．4 载荷与边界条件

3．3 温度场计算结果与分析

3．3．1 温度场分布

3．3．2 温度场产生的位移与应力

3．4 耦合场计算结果与分析

3．4．1 位移分布

3．4．2 应力分布

3．4．2 塑性应变分布

3．5 本章小结

4 面板厚度优化设计与结构强度评定

4．1 面板厚度优化设计

4．1．1 优化设计过程

4．1．2 面板优化设计结果分析

4．2 夹套式平盖强度评定

4．3 本章小结

5 焊接残余应力的数值模拟

5．1 焊接过程有限元分析假设

5．2 焊接结构有限元模型的建立

5．2．1 几何模型与有限元网格划分

5．2．2 材料性能和焊接工艺参数

5．2．3 热源模型与边界条件

5．2．4 焊接模拟求解设置

5．3 焊接模拟结果分析

5．3．1 有限元模型验证

5．3．2 焊接温度场分析

5．3．3 焊接残余应力与变形分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录A 符号说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢