GYF300型超高压水晶釜筒体自增强处理有限元仿真与残余应力分析

摘要

超高压容器是在很高的压力(大于100MPa)和应力水平下工作的,因此保证操作能长期、稳定、安全的进行便成为超高压容器设计、选择结构型式的决定因素。大量的研究表明对于超高压容器厚壁圆筒采用自增强处理技术能很好的改善筒体的应力分布,提高弹性承载能力。那么对自增强处理残余应力有效的数值计算一直是研究超高压容器的主要内容。从目前国内研究现状来看,对超高压容器自增强处理残余应力的计算研究一般均采用数值公式计算的方法,这些方法工作量大,且精确度差。因此将有限元引进自增强处理残余应力的分析显得至关重要。本文以北方重工集团生产的GYF300型超高压水晶釜为研究对象,以大型CAE软件—ANSYS为工具,研究分析了其筒体在工作载荷作用下的弹性应力分布,以及通过自增强处理后的残余应力、应变及热应力分布,详细计算了在实际工况下筒体是否经自增强处理两种情况下的综合应力分布状态和数值大小。厚壁筒体是超高压容器的主要承载部件,也是容器的核心部分。为了改善应力在筒体内的分布状态,提高筒体的弹性承载能力,利用自增强技术对筒体进行自增强处理。本文在圆筒的自增强处理仿真分析中,考虑到焊接平盖封头简单易行,以平盖型密封筒体建立有限元模型,同时利用筒体的轴对称特性将模型简化为二维模型。并将有限元仿真计算的结果与弹塑性力学计算的结果进行对比,验证了本次仿真计算的正确性。超高压水晶釜是外加热设备,热应力对筒体的应力分布产生不利影响。本文利用有限元软件ANSYS,对GYF300型超高压水晶釜筒体热—结构耦合分析,详细的计算了筒体的温度分布及热应力分布状态。最后考虑筒体实际工作状况下各项应力的综合作用,求解出筒体自增强处理前、后的应力分布状态及数值大小。通过本文的分析计算为企业进行超高压容器自增强处理之前提供一个理论的计算依据,并为以后的更高压力的超高压容器的设计及超高压容器的疲劳寿命评定作了理论上的铺垫。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 所选课题研究的目的和意义

1.1.1 超高压容器及其发展概述

1.1.2 自增强技术的原理及优越性

1.2 国内外自增强技术的研究发展现状及本课题的研究内容

1.2.1 自增强技术的发展

1.2.2 本论文的主要内容

1.3 GYF300 型超高压水晶釜简介

1.3.1 GYF300 型超高压水晶釜的工作条件

1.3.2 GYF300 型超高压水晶釜的材料特性

1.4 有限元单元法基本思想

1.5 ANSYS 软件简介

1.5.1 ANSYS 软件应用

1.5.2 ANSYS 分析过程中的主要步骤

第二章 超高压厚壁圆筒的弹性分析

2.1 厚壁圆筒全弹性应力分析理论

2.1.1 平面轴对称问题的解

2.1.2 均压厚壁圆筒应力求解

2.1.3 GYF300 型高压釜基于弹塑性理论的全弹性应力分析

2.1.4 结论

2.2 GYF300 型水晶釜在工作载荷作用下的应力有限元计算

2.2.1 分析问题

2.2.2 单元选取及材料参数的确定

2.2.3 几何模型的创建及网格划分

2.2.4 边界条件及载荷的施加

2.2.5 求解结果

2.3 本章小结

第三章厚壁圆筒基于弹塑性力学的自增强处理

3.1 厚壁圆筒的塑性理论分析

3.1.1 厚壁圆筒失效准则

3.1.2 部分塑性厚壁圆筒分析

3.1.3 结论

3.2 自增强处理残余应力的分析及计算

3.2.1 厚壁圆筒自增强处理原理

3.2.2 筒体的自增强残余应力分析

3.3 圆筒自增强处理的影响因素

3.3.1 反向屈服的影响

3.3.2 应变硬化的影响

3.3.3 Baushinger 效应的影响

3.4 自增强处理的方法

3.4.1 直接静液压法

3.4.2 机械式挤压法

3.4.3 爆炸胀压法

3.5 自增强压力的确定

3.5.1 最小合成应力法

3.5.2 根据材料特性确定超应变度

3.5.3 静强度法

3.6 本章小结

第四章 厚壁圆筒自增强处理的有限元数值模拟

4.1 基于ANSYS 的塑性分析

4.1.1 基于 ANSYS 的塑性分析的概念及特性

4.1.2 塑性理论介绍

4.1.3 塑性材料选项

4.1.4 在 ANSYS 怎样使用塑性

4.2 GYF300 型超高压水晶釜自增强处理的数值仿真计算

4.2.1 分析问题

4.2.2 GYF300 型超高压水晶釜自增强处理的数值仿真计算

4.3 本章小结

第五章 厚壁圆筒的热应力分析

5.1 基于弹塑性理论的热应力分析及求解

5.1.1 热应力分析概述

5.1.2 热应力计算公式

5.1.3 GYF300 型超高压水晶釜筒体的热应力计算

5.2 GYF300 型超高压水晶釜筒体热应力的有限元数值仿真计算

5.2.1 ANSYS 热分析简介

5.2.2 GYF300 型超高压水晶釜筒体的热应力有限元仿真计算

5.3 本章小结

第六章 总结

6.1 GYF300 型超高压水晶釜应力分布状态综述

6.2 全文总结

参考文献

致谢

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