本文關鍵詞： 棘輪 塑性安定 混合強化 非循環(huán)方法 局部應變控制方法 應變強化　出處：《華東理工大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：壓力容器結構在循環(huán)載荷作用下的安全性越來越受到關注,為了保障設備安全,需要進行安定分析和疲勞分析。傳統(tǒng)的安定分析方法在分析復雜結構時存在計算量大或計算結果過于保守等方面的不足,尤其對于304這類屈強比較低的奧氏體不銹鋼材料,需要發(fā)展更加適應于工程應用的安定分析方法。本文以304不銹鋼材料為研究對象,針對材料的棘輪安定機理、結構塑性安定載荷非循環(huán)計算方法、復雜結構塑性安定載荷的局部應變控制方法以及棘輪安定效應在結構應變強化技術中的應用等方面進行了理論、數(shù)值和試驗研究。主要研究工作和結論如下： (1)304不銹鋼棘輪安定機理的試驗研究。根據Bauschinger效應,通過室溫下的單軸棘輪試驗獲得了材料的彈性空間和塑性應變之間的關系,并在此基礎上分別對等向強化、隨動強化和混合強化模型下的材料棘輪安定性進行了分析,發(fā)現(xiàn)在混合強化模型下必然存在棘輪應變累積的問題。建立了單軸棘輪安定機理的數(shù)學迭代計算式,由此得到飽和棘輪應變是由彈性空間和循環(huán)載荷范圍決定的。另根據Perzyna和Peirce粘塑性應變率方程,粘塑性應變率和彈性空間有關,試驗結果表明,隨著塑性應變的累積,彈性空間增大,粘塑性應變率會減小到零,因此最終飽和粘塑性應變由彈性空間和峰值應力決定。考慮材料的棘輪應變和粘塑性應變的交互作用,對彈性空間、飽和應變和加載工況三者之間的關系進行了分析,發(fā)現(xiàn)當應力比R≥0時,飽和應變只與峰值應力有關,與幅值應力大小無關,而當應力比R0的情況時,飽和應變是峰值應力和幅值應力的二次函數(shù)�；谏鲜龇治�,通過試驗方法可以獲得飽和應變和峰值應力的數(shù)據點,最后通過對這些數(shù)據點進行擬合,就可以建立應力比R≥0的塑性安定本構曲線。 (2)典型壓力容器結構塑性安定載荷的非循環(huán)計算方法的研究。實際工程中,很大一部分壓力容器承受的循環(huán)載荷為應力比R≥0的工況,依據Mises等效應力-等效應變關系,以塑性安定本構曲線作為有限元的材料模型,利用一次彈塑性有限元分析就可以直接獲得結構的塑性安定載荷和相對應的累積應變,避免了逐循環(huán)計算過程,并通過循環(huán)內壓作用下的實物容器的對比試驗驗證了該方法的準確性。與傳統(tǒng)的安定計算方法相比,這種非循環(huán)方法可以有效的獲得結構的真實承載能力,大大減少了計算時間,有利于工程應用。 (3)局部安定載荷的應變控制方法的研究。對于復雜壓力容器結構,在采用非循環(huán)方法進行塑性安定載荷計算時,需同時考慮結構應力狀態(tài)對計算結果的影響。本文采用應力三軸度TF作為應力狀態(tài)的表征量,從損傷的角度發(fā)展了結構塑性安定載荷的局部應變控制方法,可有效的獲得復雜結構的局部塑性安定載荷。利用該方法,對典型壓力容器結構(比如筒體接管結構)的塑性安定載荷進行了統(tǒng)計計算,通過數(shù)學擬合,獲得了其工程計算公式。 (4)棘輪安定效應在壓力容器應變強化技術中的應用研究。在壓力容器結構的應變強化技術中考慮棘輪安定效應,使用塑性安定本構曲線替代單向拉伸本構曲線,來預測結構大變形情況,這填補了該技術中的一項空白。在此基礎上,提出了一種新的循環(huán)加載應變強化方式,與傳統(tǒng)的恒壓保載強化方式相比較,在達到相同的應變強化量時,應變強化后結構馬氏體增量比恒壓保載方式減少約50%,采用循環(huán)加載方式進行應變強化后,產品材料塑性消耗更少。 (5)應變強化壓力容器結構的疲勞評定方法研究。通過預應變材料的疲勞試驗,獲得了應變強化條件下304不銹鋼材料的應變控制疲勞壽命設計曲線,并從彈性空間的角度解釋了低周疲勞平均應力松弛的機理。根據預應變強化條件下的疲勞設計曲線進行疲勞壽命評定,可以提高結構的疲勞設計壽命。
[Abstract]:Security and structure of pressure vessel under cyclic load is more attention, in order to protect the safety of equipment, the need for analysis of stability analysis and stability analysis of fatigue. The deficiencies of traditional methods of large amount of calculation or the result is too conservative in the aspects of complex structures, especially for the 304 yield of austenitic stainless steel materials the development of more suitable for engineering application of shakedown analysis. In this paper 304 stainless steel as the research object, aiming at the stability of ratchet mechanism of material, the structure of the plastic shakedown load of non cyclic calculation method of complex structure plastic shakedown load local strain control method and the ratchet effect in structural strain strengthening stability and application etc. in the theoretical, numerical and experimental research. The main research work and conclusions are as follows:
(1) experimental study on 304 stainless steel ratchet mechanism. According to the stability of the Bauschinger effect, the uniaxial ratcheting tests at room temperature to obtain the relationship between elastic material and plastic strain, and respectively based on the isotropic hardening, kinematic hardening and mixed hardening materials under the ratchet stability model are analyzed. Found in the mixed hardening model under the inevitable ratcheting strain problem. The mathematical formula of iterative uniaxial ratcheting shakedown mechanism is established, the saturated ratchetting strain is determined by elastic space and cyclic loading range. According to the Perzyna Peirce and the viscoplastic strain rate equation, the viscoplastic strain rate and the elastic space the test results show that, with the accumulated plastic strain, elastic space increases, the viscoplastic strain rate will be reduced to zero, so the final saturation by elastic viscoplastic strain space and peak stress will . considering the material viscosity interaction of ratcheting strain and plastic strain, the elastic space, the relationship between saturated strain and loading conditions of the three are analyzed, and found that when the stress ratio R = 0, saturated strain only with peak stress, stress amplitude and size, and when the stress R0 ratio, saturated peak strain is a quadratic function and amplitude of stress. Based on the above analysis, the test method can get saturated strain and peak stress data, by the end of the fitting, we can establish a stress ratio R = plastic constitutive stability 0 curve.
(2) study on the calculation method of typical pressure vessel structure plastic shakedown load of non circulation. In practical engineering, a large part of the pressure vessel subjected to cyclic loading stress ratio R = 0 for the condition, according to the Mises equivalent stress - strain relationship with plastic constitutive model for stability curve for the material the finite element method, using an elastic-plastic finite element analysis can directly get the structural plastic shakedown loads and the corresponding cumulative strain is avoided by cycle calculation process, and through the contrast test of real vessel circulation under internal pressure to verify the accuracy of the method. Compared with the traditional calculation method of stability and this non circulation method can effectively obtain the real bearing capacity of the structure, greatly reduces the calculation time for engineering application.
(3) to study the strain control method of local stability load. For the complex structure of pressure vessel, calculate the plastic shakedown load in the non circulation method, the structure must also consider the effect of stress state on the calculation results. The stress of three axis TF as representation of stress state and local strain the control method of the plastic shakedown load from the perspective of damage development, can effectively obtain the complex structure of local plastic shakedown loads. Using this method, the typical pressure vessel structure (such as cylinder nozzle structure) of the plastic shakedown load for statistical calculation, through mathematical simulation, calculation formula to obtain the project.
(4) application of the ratchet effect in pressure vessel stability and strain hardening. Strain in the structure of pressure vessels to strengthen stability in ratchet effect is considered, the use of plastic stability constitutive curves instead of uniaxial tensile constitutive curve to predict the structure of large deformation, which fills a gap in the technology in this. On the basis, puts forward a new way to strengthen the cyclic load strain, load strengthening method compared with the traditional constant pressure, the same amount of strain hardening, strain hardening martensite structure after the incremental ratio constant pressure holding mode is reduced by about 50%, the cyclic loading of strain hardening materials, plastic products consume less.
(5) study on the fatigue evaluation method of pressure vessel structure strain hardening. Through fatigue test of pre strain material, the strain hardening condition of strain controlled fatigue life design under the curve of 304 stainless steel materials, and explains the low cycle fatigue mechanism of stress relaxation from the average elastic space angle. According to the pre strain hardening fatigue design curve under the condition of fatigue life assessment, can improve the fatigue life of structure design.

【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TH49

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本文編號：1550473