材料多轴棘轮效应本构描述及压力管道棘轮效应预测

摘要

利用自行设计的直管准三点弯曲实验装置、弯管面内弯曲加载装置，采用电阻应变法，在多轴疲劳实验机上对循环弯曲载荷作用下的20＃钢内压直管、弯管进行了棘轮效应研究。利用自行设计的径向位移传感器监测了管子的径向变形。对于直管，发现棘轮应变首先沿环向产生，随着载荷的增加，轴向也将产生棘轮应变，但较环向小。随着棘轮应变的产生，直管圆截面变为椭圆截面。对于90°弯管，无论是长半径还是短半径，最大棘轮应变发生在顶线位置处，为环向应变；对于45°弯管，距内缘线45°位置处的棘轮应变较顶线位置大。随着棘轮应变的产生，弯管圆截面变为椭圆截面。多载荷步加载时，以往棘轮应变历史会降低应有的棘轮应变速率，尤其在较大的载荷下先发生棘轮应变后，这种影响十分明显。利用直管准三点弯曲实验装置，确定了内压直管循环弯曲的棘轮边界。 考察了现有循环塑性本构模型，发现能够适用于各种材料各种加载路径的本构模型还不存在，但对某类材料寻求较为适宜的本构模型完全可能。尤其Ohno-Wang模型及基于Ohno-Wang模型的改进模型的出现，很大程度上提高了材料及结构的多轴棘轮效应预测的准确性。 利用ANSYS的用户编程特性UPFs，通过编写USERPL.F子程序，将Ohno-Wang模型及其修正模型嵌入ANSYS软件，实现了结构循环塑性分析。 利用ANSYS程序对循环弯曲载荷作用下的内压直管与弯管进行了弹塑性分析，通过比较各模型对直管、弯管棘轮应变的预测，发现对于直管、弯管中的E90S及E45L，修正的Jiang-Sehitoglu模型的预测结果更好一些，而对于弯管中的E90L，Chen-Jiao-Kim模型预测值与实验值能够较好地吻合。 对于循环弯曲载荷作用下的内压直管，讨论了确定棘轮边界的现有规范及方法，发现采用修正的Jiang-Sehitoglu模型按C-TDF方法确定的棘轮边界线能够较好地界定安定区。采用修正的Jiang-Sehitoglu模型按C-TDF方法确定了面内循环弯曲载荷作用下内压弯管E90L、E90S及E45L的棘轮边界。 根据等强度原则推导了内压弯管的理论壁厚分布，并根据弯管的加工特点，提出一种假定的壁厚分布，可有效改善弯管抗棘轮应变能力。

目录

文摘

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第一章 文献综述

第二章 压力管道棘轮应变的试验研究

2.1 20＃钢单轴拉伸与单轴棘轮效应

2.2循环弯曲载荷作用下内压直管棘轮效应的实验研究

2.3面内循环弯曲载荷作用下内压弯管棘轮效应的研究

第三章 弹塑性有限元计算方法研究

第四章 压力管道棘轮应变分析与预测

4.1几个典型随动强化模型的模型参数确定

4.2内压直管对称循环弯曲棘轮应变分析及本构模型的确定

4.3 MJS模型对PSPSCB棘轮效应的模拟

4.4内压弯管对称循环弯曲棘轮应变分析及本构模型的确定

4.5内压弯管对称循环弯曲棘轮应变模拟

4.6讨论

4.7小结

第五章 压力管道棘轮边界的确定

第六章 理想弯管截面形状的讨论

第七章 结论

主要符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢