【摘要】：作為高溫設(shè)備中最重要的構(gòu)件之一,高溫爐管具有多種優(yōu)良的性能得以廣泛應(yīng)用在化工工程等領(lǐng)域。高溫爐管在其服役過程中的環(huán)境極其惡劣,長(zhǎng)時(shí)間服役極易產(chǎn)生蠕變、腐蝕等損傷,導(dǎo)致高溫爐管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性急劇下降。高溫構(gòu)件問題相對(duì)來說較為復(fù)雜且影響因素更為多樣,其研究在學(xué)術(shù)界仍是一大難點(diǎn)。同時(shí)對(duì)于高溫爐管蠕變穩(wěn)定性問題的研究具有顯著的工程意義。本文的研究對(duì)象是高溫環(huán)境中,受外壓作用爐管的蠕變屈曲。為此,將爐管視為兩端簡(jiǎn)支的有限長(zhǎng)圓柱殼,依據(jù)蠕變陳化理論和經(jīng)典薄殼理論,考慮溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的作用,研究圓柱殼高溫蠕變屈曲穩(wěn)定性問題,深入分析不同因素對(duì)圓柱殼蠕變屈曲性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,根據(jù)塑性力學(xué)的全量理論并引入高溫爐管的非線性材料蠕變性能建立爐管蠕變情況下應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。由于高溫環(huán)境的影響導(dǎo)致爐管發(fā)生蠕變,引起爐管本構(gòu)方程的改變,使得其物理方程不同于常溫環(huán)境下彈性屈曲的物理方程。分析時(shí),將爐管在高溫溫度場(chǎng)中的蠕變屈曲過程視為兩個(gè)階段:第一階段為爐管在高溫外壓作用下發(fā)生蠕變變形及其隨時(shí)間增加所引起的材質(zhì)剛度降低;第二階段為爐管瞬時(shí)分岔屈曲。根據(jù)陳化理論,并考慮爐管受外壓作用下的受力機(jī)制,建立爐管受外壓作用的蠕變本構(gòu)方程。其次,建立并求解考慮初始曲率影響的爐管蠕變屈曲控制方程。在Karman-Donnell方程的基礎(chǔ)上考慮非淺圓柱殼初始曲率對(duì)曲率變化及彎矩的影響,建立非淺殼圓柱殼幾何方程,引入爐管受外壓作用的蠕變本構(gòu)方程,推導(dǎo)并建立用位移函數(shù)表示的、適用于有限長(zhǎng)非淺圓柱殼蠕變分岔屈曲問題的控制方程。結(jié)合圓柱殼受外壓作用下瞬時(shí)分岔屈曲時(shí)平衡位態(tài)的跳躍變化的特點(diǎn),引入滿足簡(jiǎn)支位移邊界條件的屈曲位移函數(shù),求解控制方程。再次,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證模型的有效性。采用現(xiàn)有文獻(xiàn)的高溫管道蠕變材料屬性,針對(duì)金屬鎳和鋯合金兩種不同材料的爐管進(jìn)行理論分析,并獲得爐管蠕變屈曲荷載。將所得的屈曲荷載的理論解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證理論分析的合理性。最后,進(jìn)行數(shù)值算例和有限元分析。給出不同溫度適用的參數(shù)進(jìn)行MATLAB編程求解具體算例值,分析材料參數(shù)、爐管長(zhǎng)徑比、徑厚比,時(shí)間和溫度對(duì)于圓柱殼蠕變屈曲極限強(qiáng)度。應(yīng)用ABAQUS建模,進(jìn)行有限元仿真,并與理論解進(jìn)行比較。
【圖文】：

圖 1-2 高溫爐管爆破和結(jié)焦時(shí)的形態(tài)1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高溫構(gòu)件發(fā)生蠕變效應(yīng)方面的研究主要有兩種類型。一種是對(duì)材料蠕變性能的分析，且絕大多數(shù)是對(duì)材料的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，方法主要分為兩類：一類是通過建立參數(shù)法唯象模型的方法，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行表象上的數(shù)學(xué)描述，不反應(yīng)蠕變材料本身的物理意義，主要為用于預(yù)測(cè)材料壽命，通常采用的有 Larson-Miller 預(yù)測(cè)法、θ-函數(shù)預(yù)測(cè)法及其修正法、Z-Parameter 預(yù)測(cè)法、Graham-Walles 數(shù)學(xué)模型、C-影射法、蠕變曲線逼近預(yù)測(cè)法等；另一類是基于材料蠕變的物理意義通過微觀或細(xì)觀力學(xué)及熱力學(xué)建立物理模型，針對(duì)高溫構(gòu)件蠕變損傷，國(guó)內(nèi)外專業(yè)人士常用的幾種蠕變損傷模型處理，包括 Norton公式的蠕變損傷公式、Kachanov-Robatnov 損傷模型、Leimatre 損傷模型。[6]另外一種蠕變研究方法則是對(duì)結(jié)果蠕變性能分析。本文主要也是進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的分析。結(jié)構(gòu)的屈曲、蠕變屈曲以及后屈曲是固體力學(xué)中最為經(jīng)典的研究?jī)?nèi)容，也是相對(duì)來說

使在應(yīng)力小于屈服極限時(shí)仍具有不可逆的變形性質(zhì)[48]。ndrade 指出經(jīng)典的蠕變曲線主要分為三個(gè)階段： 2-3 中的 oa 段，在外力的作用下發(fā)生彈塑性應(yīng)變e + 生的。 2-3 中的 ab 段，蠕變速率不斷降低并趨向穩(wěn)定、材料發(fā)隨時(shí)間的增加不斷減小，曲線越平緩，稱為不穩(wěn)定蠕變 2-3 中的 bc 段，即圖中顯示的直線段，蠕變速率達(dá)到最數(shù)，且這個(gè)階段時(shí)間較長(zhǎng)。稱為穩(wěn)定蠕變階段或穩(wěn)態(tài)蠕 2-3 中的 cd 段，蠕變速率迅速上升。蠕變變形迅速發(fā)展，即 d 點(diǎn)時(shí)發(fā)生斷裂，所以被稱為破壞階段。
【學(xué)位授予單位】：暨南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU33

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2623211