【摘要】：本文的研究背景來源于中國特檢院承擔(dān)的質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“基于損傷模式的承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)研究及應(yīng)用”(201411024)。針對(duì)承壓部件的塑性垮塌失效,采用理想彈塑性模型,對(duì)典型承壓部件進(jìn)行塑性極限承載能力分析�？紤]現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)承壓結(jié)構(gòu)幾何參量、材料參量等不確定性的規(guī)定,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中各參量的不確定性影響,對(duì)典型承壓部件進(jìn)行基于塑性失效模式的可靠性分析,最終得到強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)計(jì)算方法,并與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。為挖掘承壓設(shè)備潛在承載能力、延長(zhǎng)使用壽命、節(jié)能減排及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)從確定性向可靠性的轉(zhuǎn)化提供理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究從塑性理論出發(fā),采用有限元中的非線性分析方法與可靠性分析,對(duì)典型承壓部件的極限載荷及塑性失效概率進(jìn)行分析,主要解決了三方面問題:其一是研究基于塑性極限分析的典型承壓部件可靠性分析方法,得到規(guī)則設(shè)計(jì)下幾何參量、材料參量等對(duì)承壓部件塑性失效概率分布的影響規(guī)律。其二是利用本文提出的可靠性分析方法,結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于承壓設(shè)備所用材料的幾何參量不確定性及材料參量不確定性的規(guī)定,建立基于可靠性的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)計(jì)算方法,并給出不同可靠度指標(biāo)下強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)的推薦值。其三是利用本文推導(dǎo)出的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)計(jì)算方法及強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)分布曲線,對(duì)當(dāng)前法規(guī)中確定性的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),為標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供理論支持。本文的主要工作及成果如下:(1)將ANSYS有限元的非線性分析法與可靠性分析中的蒙特卡羅法相結(jié)合,建立了計(jì)算典型承壓部件塑性失效概率分布的可靠性分析方法及分析程序,并將其與理論推導(dǎo)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了程序的準(zhǔn)確性。(2)依據(jù)理論推導(dǎo)及有限元數(shù)值模擬結(jié)果,得到了截面含橢圓度的內(nèi)壓圓筒極限載荷計(jì)算公式。利用該公式與可靠性程序?qū)E圓度內(nèi)壓圓筒進(jìn)行可靠性分析,得到了幾何參量及材料參量的不確定性對(duì)承壓結(jié)構(gòu)塑性失效概率的影響規(guī)律。(3)基于可靠性程序及一次二階矩法,得到了內(nèi)壓圓筒在五種情況下(僅壁厚不確定;僅橢圓度不確定;僅屈服強(qiáng)度不確定;壁厚與屈服強(qiáng)度雙參數(shù)不確定;壁厚、屈服強(qiáng)度、橢圓度三參數(shù)不確定)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)計(jì)算方法與推薦值。(4)將本文提出的基于可靠性強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),若僅考慮單參量不確定,則現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)較為保守。當(dāng)考慮雙參數(shù)不確定時(shí),以壁厚為25mm為分界,在壁厚小于25mm時(shí)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)偏于危險(xiǎn),而當(dāng)壁厚大于25mm時(shí)則偏于保守。當(dāng)考慮三參數(shù)不確定時(shí),以壁厚為40mm為分界,在壁厚小于40mm時(shí)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)偏于危險(xiǎn),而當(dāng)壁厚大于40mm時(shí)則偏于保守。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH123;TB114.3
【圖文】：

研究技術(shù)路線框圖

式中 ————雅可比矩陣； ————恢復(fù)載荷矢量；i————當(dāng)前的平衡迭代步；每次求解前，N-R 方法首先估計(jì)殘差矢量 ，然后使用非平衡載荷線性求解，且檢查收斂性。如果不滿足收斂準(zhǔn)則，重新估計(jì)殘差矢量，修改剛度矩陣，獲得新解，持續(xù)該迭代過程直到問題收斂。該迭代方法的圖形如圖 2-1 所示。對(duì)于某些物理意義上不穩(wěn)定系統(tǒng)的非線性分析，如果僅采用 N-R 法，正切剛度矩陣可能變?yōu)榻抵染仃�，�?dǎo)致嚴(yán)重的收斂問題。為解決這一問題，ANSYS 提供了另一種迭代方法——廣義弧長(zhǎng)法�；￠L(zhǎng)法導(dǎo)致 N-R 平衡迭代沿一段弧收斂，從而增強(qiáng)了問題的收斂性，阻止發(fā)散。這種迭代方法的圖形如圖 2-2 所示�；￠L(zhǎng)法的基本思想是在由弧長(zhǎng)控制的、包含真實(shí)平衡路徑的增量位移空間中，用 N-R法搜索平衡方程的平衡路徑，這種方法可以自動(dòng)確定合適的增量載荷大小，直至載荷施加完畢或結(jié)構(gòu)不能進(jìn)一步承載，在必要時(shí)可以對(duì)結(jié)構(gòu)施加負(fù)載荷，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)剛度的下降，阻止求解發(fā)散。對(duì)于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，可以使用對(duì)應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng)來代替載荷步，這樣求出變形與時(shí)間的關(guān)系就相當(dāng)于求出了變形與載荷關(guān)系。

式中 ————雅可比矩陣； ————恢復(fù)載荷矢量；i————當(dāng)前的平衡迭代步；每次求解前，N-R 方法首先估計(jì)殘差矢量 ，然后使用非平衡載荷線性求解，且檢查收斂性。如果不滿足收斂準(zhǔn)則，重新估計(jì)殘差矢量，修改剛度矩陣，獲得新解，持續(xù)該迭代過程直到問題收斂。該迭代方法的圖形如圖 2-1 所示。對(duì)于某些物理意義上不穩(wěn)定系統(tǒng)的非線性分析，如果僅采用 N-R 法，正切剛度矩陣可能變?yōu)榻抵染仃�，�?dǎo)致嚴(yán)重的收斂問題。為解決這一問題，ANSYS 提供了另一種迭代方法——廣義弧長(zhǎng)法�；￠L(zhǎng)法導(dǎo)致 N-R 平衡迭代沿一段弧收斂，從而增強(qiáng)了問題的收斂性，阻止發(fā)散。這種迭代方法的圖形如圖 2-2 所示�；￠L(zhǎng)法的基本思想是在由弧長(zhǎng)控制的、包含真實(shí)平衡路徑的增量位移空間中，用 N-R法搜索平衡方程的平衡路徑，這種方法可以自動(dòng)確定合適的增量載荷大小，直至載荷施加完畢或結(jié)構(gòu)不能進(jìn)一步承載，在必要時(shí)可以對(duì)結(jié)構(gòu)施加負(fù)載荷，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)剛度的下降，阻止求解發(fā)散。對(duì)于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，可以使用對(duì)應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng)來代替載荷步，這樣求出變形與時(shí)間的關(guān)系就相當(dāng)于求出了變形與載荷關(guān)系。

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本文編號(hào)：2750147