有限元技术在搪玻璃压力容器中的应用研究

摘要

搪玻璃压力容器因其良好的耐腐蚀性、表面光洁等特点，被广泛用与制药、化工等行业。然而，在经调研各个搪玻璃厂的生产以及设备的使用情况后发现，搪玻璃压力容器在生产制造中以及投入使用中搪玻璃层的爆瓷失效的问题常有发生。由于搪烧而产生的残余应力，使得搪玻璃层的应力更为复杂。因此如何准确的获得搪玻璃压力容器的搪烧后的残余应力以及如何正确认识搪玻璃层的失效准则，成为设计制造的关键。
　　本文借助有限元技术，首先，提出了一种更加简化的模拟方法，并利用C型环试样的搪烧实验验证了模拟方法的准确性。之后，对不同尺寸的搪玻璃压力容器的残余应力进行有限元模拟，分析了残余应力的影响因素。最后，针对搪玻璃压力容器的搪玻璃层失效问题。先是制作了搪玻璃以及未搪玻璃的标准拉伸试样进行拉伸试验，利用声发射检测系统监测试样搪玻璃层裂纹的出现，通过分析两者的拉伸曲线得到了搪玻璃层的失效时的金属基体及搪玻璃层的应力状态。紧接着又制作了一批含有中心孔和圆角的平板型搪玻璃试样，同样对试样进行拉伸试验，利用有限元方法先后模拟了试样的搪烧和拉伸过程，获得了试样在拉伸载荷下孔口处搪玻璃层及金属基体的受力，进而讨论了拉应力条件下的搪玻璃压力容器搪玻璃层的失效准则。本文工作取得的主要研究结论如下:
　　(1)在对搪玻璃构件的搪烧过程的试验验证及有限元模拟后，从试验的角度验证了本文提出的工程简化模拟方法的可行性和准确性，且在引入搪玻璃材料的物性参数修正因子后，使得工程上对于残余应力的模拟成为可能。
　　(2)经有限元模拟发现，搪烧后的搪玻璃压力容器的管口处搪玻璃层产生正值第一主应力，且第一主应力的最大值随管口圆角半径R增大而减小。另外搪玻璃层内最大主应力数值随基材与搪玻璃层材料线膨胀系数差减少而减少。管口R处搪玻璃层厚度减少可使管口R处第一主应力残余应力略减少。在接管内径为φ65时，又有如下结论:当管口处金属基体的圆角半径R小于5mm后搪玻璃层残余最大主应力随圆角半径R的减少增加明显，而当圆角半角R增大至15mm后残余最大第一主应力减少趋势变得逐渐平缓。
　　(3)结合实验及有限元模拟分析，给出了对于搪玻璃压力容器搪玻璃层的失效控制准则。即，不仅需控制搪玻璃层受到的拉应力，同时还需控制其附着的金属基体不进入屈服。该准则的给出，对搪玻璃压力容器的标准制定以及设计制造提供了支持。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．2 搪玻璃层-金属系统搪玻璃层失效机理的研究

1．2．3 搪玻璃压力容器的残余应力及爆瓷失效的研究

1．3 存在的问题

1．4 研究内容及步骤

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究步骤及技术路线

2．1 引言

2．2 搪玻璃构件残余应力的产生及有限元数值模拟

2．2．1 实际搪烧过程

2．2．2 文献中的有限元模拟方法

2．2．3 本文提出的工程简化模拟方法

2．3．1 试验条件

2．3．2 试验步骤

2．4 试验结果及分析

2．5 搪烧冷却过程的有限元模拟

2．5．1 有限元几何模型及网格

2．5．2 单元选择及边界条件

2．5．3 材料物性参数

2．5．4 模拟流程的说明

2．6 模拟结果与讨论

2．6．1 采用文献中模拟方法的模拟结果

2．6．2 采用本文提出的工程简化模拟方法的模拟结果

2．6．3 有限元模拟结果与试验值的对比

2．7 修正因子

2．8 本章小结

3．1 引言

3．2 有限元模拟计算

3．2．1 模拟流程说明

3．2．2 有限元几何模型及网格

3．2．3 单元选择及边界条件

3．2．4 材料物性参数

3．3 模拟结果与讨论

3．4 采用工程简化模拟方法对算例1的有限元模拟结果

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 试样的制备

4．3 声发射检测技术介绍

4．4 试验前的准备工作

4．5 试验结果的分析与讨论

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 试样的制备

5．2．1 金属基体的加工

5．2．2 喷砂

5．2．3 喷涂釉浆与搪烧

5．3 试验步骤

5．3．1 试验前的准备工作

5．3．2 数据采集过程

5．4 试验结果的分析与讨论

5．5 试样的搪烧冷却及拉伸过程的有限元模拟

5．5．1 模型及网格划分

5．5．2 边界条件

5．5．3 材料参数

5．5．4 分析步骤

5．5．5 有限元计算结果

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果