本文關(guān)鍵詞：熱—機(jī)械耦合場(chǎng)作用下夾套式平蓋的應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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【摘要】：對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不宜采用現(xiàn)有壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì),需要通過有限元分析設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是彈性應(yīng)力分析、塑性失效準(zhǔn)則以及彈塑性失效準(zhǔn)則,其對(duì)壓力容器材料選擇、制造過程、檢驗(yàn)以及驗(yàn)收規(guī)定比傳統(tǒng)規(guī)范設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展和數(shù)值理論日趨成熟,分析設(shè)計(jì)方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于壓力容器設(shè)計(jì)。本文通過有限元方法,基于理想彈塑性材料模型,重點(diǎn)研究了夾套式平蓋在機(jī)械載荷、熱載荷、熱-機(jī)械載荷耦合作用下的力學(xué)性能。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)夾套式平蓋上、下面板厚度進(jìn)行了合理設(shè)計(jì),并基于應(yīng)力線性化技術(shù),使用應(yīng)力分類法評(píng)估了結(jié)構(gòu)的可靠性,同時(shí)也對(duì)夾套式平蓋結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬與評(píng)定,為此類夾套結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)定提供了一定參考。全文主要結(jié)論分為以下幾部分： (1)根據(jù)夾套式平蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化,并分別采用全實(shí)體模型、全殼模型、多點(diǎn)約束(MPC)法建立了夾套式平蓋結(jié)構(gòu)的有限元模型,通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)MPC法與全實(shí)體模型計(jì)算的位移值接近,說明了MPC法具有計(jì)算精度高、節(jié)省計(jì)算時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。 (2)當(dāng)夾套式平蓋承受機(jī)械載荷作用時(shí),在其上、下面板總厚度保持為118mm不變,且每層面板厚度不小于25mm時(shí),則無論上、下面板厚度如何分布,可以得到幾乎相近的位移量,否則面板大部分區(qū)域的應(yīng)力會(huì)達(dá)到材料屈服強(qiáng)度而發(fā)生大面積塑性變形,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移顯著增加。研究了支撐形式和夾套結(jié)構(gòu)的空腔高度對(duì)夾套式平蓋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,計(jì)算結(jié)果表明支撐形式對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有顯著影響,可以在位移和應(yīng)力較大區(qū)域增設(shè)工藝接管來起到增強(qiáng)作用；結(jié)構(gòu)的整體位移和應(yīng)力值都隨著空腔高度的增大而減小,增加空腔高度有利于提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,但會(huì)增加材料的用量,進(jìn)而顯著增加制造成本。綜合考慮結(jié)構(gòu)換熱量、力學(xué)性能以及制造成本等因素,取空腔高度為202mm。 (3)對(duì)夾套式平蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱載荷、熱－機(jī)械載荷耦合分析,模擬結(jié)果表明熱載荷對(duì)結(jié)構(gòu)位移有顯著影響；在熱-機(jī)械載荷耦合作用下,結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在夾套式平蓋中心位置,最大等效應(yīng)力發(fā)生在面板與工藝接管連接區(qū)域。在上面板的上表面發(fā)生了大面積塑性變形,應(yīng)力值達(dá)到了材料屈服強(qiáng)度,符合理想彈塑性材料性能特征。 (4)夾套式平蓋結(jié)構(gòu)上、下面板厚度分布對(duì)其力學(xué)性能有顯著影響,本文建立了其上、下面板厚度優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,并采用APDL語(yǔ)言編寫了相應(yīng)的優(yōu)化程序,得到了夾套式平蓋最佳面板厚度分布�；谧顑�(yōu)化結(jié)構(gòu),采用應(yīng)力線性化技術(shù)對(duì)危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力進(jìn)行分類,并與相應(yīng)的許用應(yīng)力值進(jìn)行比較,評(píng)定結(jié)果表明結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。 (5)夾套式平蓋結(jié)構(gòu)上、下面板與工藝接管通過焊縫連接,而焊縫區(qū)往往是結(jié)構(gòu)失效的最薄弱環(huán)節(jié)。因此,本文基于APDL語(yǔ)言,采用內(nèi)生熱模型、生死單元技術(shù)以及熱－結(jié)構(gòu)間接耦合法對(duì)夾套式平蓋上、下面板與工藝接管連接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的大小與分布規(guī)律,為夾套式平蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定和壽命評(píng)估提供了有效方法和定量依據(jù),同時(shí)也為后續(xù)焊接殘余應(yīng)力的消除提供了一定指導(dǎo)作用。
【關(guān)鍵詞】：熱-機(jī)械耦合場(chǎng) 夾套式平蓋 應(yīng)力分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 殘余應(yīng)力模擬
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TH49
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-13
• 1 文獻(xiàn)綜述13-37
• 1.1 平蓋封頭研究進(jìn)展13-16
• 1.2 壓力容器設(shè)計(jì)方法16-19
• 1.2.1 常規(guī)設(shè)計(jì)16-17
• 1.2.2 分析設(shè)計(jì)17-18
• 1.2.3 分析設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)對(duì)比18-19
• 1.3 不同單元組合建模方法19-22
• 1.4 壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)22-24
• 1.5 壓力容器強(qiáng)度評(píng)定24-29
• 1.5.1 極限載荷分析24-26
• 1.5.2 應(yīng)力分類法26-29
• 1.6 焊接殘余應(yīng)力29-35
• 1.6.1 焊接殘余應(yīng)力的概念29-30
• 1.6.2 影響焊接殘余應(yīng)力的因素30-31
• 1.6.3 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究進(jìn)展31-33
• 1.6.4 控制焊接殘余應(yīng)力的方法33-35
• 1.7 本課題研究?jī)?nèi)容35-37
• 2 夾套式平蓋機(jī)械載荷分析37-52
• 2.1 平蓋封頭厚度估算37-38
• 2.2 建立有限元模型38-44
• 2.2.1 建模方法選取38-41
• 2.2.2 單元選擇41-43
• 2.2.3 材料特性與網(wǎng)格劃分43-44
• 2.2.4 載荷及邊界條件44
• 2.3 計(jì)算結(jié)果分析44-50
• 2.3.1 模型驗(yàn)證44-46
• 2.3.2 面板厚度分布影響46-48
• 2.3.3 支撐形式的影響48-49
• 2.3.4 空腔高度影響49-50
• 2.4 本章小結(jié)50-52
• 3 夾套式平蓋耦合場(chǎng)分析52-63
• 3.1 熱分析理論52-54
• 3.1.1 熱能傳遞的基本方式52-53
• 3.1.2 穩(wěn)態(tài)傳熱53
• 3.1.3 傳熱邊界條件53-54
• 3.2 建立有限元模型54-56
• 3.2.1 單元選擇54-55
• 3.2.2 材料性能參數(shù)55
• 3.2.3 網(wǎng)格劃分55-56
• 3.2.4 載荷與邊界條件56
• 3.3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析56-58
• 3.3.1 溫度場(chǎng)分布56-58
• 3.3.2 溫度場(chǎng)產(chǎn)生的位移與應(yīng)力58
• 3.4 耦合場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析58-62
• 3.4.1 位移分布58-59
• 3.4.2 應(yīng)力分布59-61
• 3.4.3 塑性應(yīng)變分布61-62
• 3.5 本章小結(jié)62-63
• 4 面板厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定63-71
• 4.1 面板厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)63-67
• 4.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)過程63-65
• 4.1.2 面板優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析65-67
• 4.2 夾套式平蓋強(qiáng)度評(píng)定67-70
• 4.3 本章小結(jié)70-71
• 5 焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬71-89
• 5.1 焊接過程有限元分析假設(shè)71-72
• 5.2 焊接結(jié)構(gòu)有限元模型的建立72-77
• 5.2.1 幾何模型與有限元網(wǎng)格劃分72-73
• 5.2.2 材料性能和焊接工藝參數(shù)73-75
• 5.2.3 熱源模型與邊界條件75-77
• 5.2.4 焊接模擬求解設(shè)置77
• 5.3 焊接模擬結(jié)果分析77-88
• 5.3.1 有限元模型驗(yàn)證77-80
• 5.3.2 焊接溫度場(chǎng)分析80-82
• 5.3.3 焊接殘余應(yīng)力與變形分析82-88
• 5.4 本章小結(jié)88-89
• 結(jié)論89-91
• 參考文獻(xiàn)91-97
• 附錄A 符號(hào)說明97-99
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況99-100
• 致謝100-101

【參考文獻(xiàn)】

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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本文編號(hào)：752270