一种基于寿命的超高压容器疲劳强度设计方法

摘要

本发明涉及一种基于寿命的超高压容器疲劳强度设计方法。本方法首先进行初步结构设计；然后依据剪应力最小原理进行自增强处理优化设计；再利用有限元软件计算得到最大局部等效应力，与设计疲劳强度比对，满足则根据设计压力和材料疲劳裂纹扩展的门槛值计算最小初始疲劳裂纹长度；利用材料断裂韧性确定最大疲劳裂纹长度，并基于疲劳裂纹扩展试验数据建立精确的描述方程；在此基础上进行迭代计算，判断是否满足疲劳设计寿命，满足则完成结构设计。本发明考虑了超高压容器制造和运行过程中存在的多种风险因素，在设计阶段加以控制，并依托现代数值计算技术给出疲劳设计寿命，较传统的弹塑性设计方法更为安全，较现行的断裂力学设计方法更为准确合理。

主权项

一种基于寿命的超高压容器疲劳强度设计方法，其特征在于包括以下步骤：S1、明确超高压容器的服役压力和温度要求，以及所用材料的疲劳性能数据；S2、根据弹塑性力学理论，进行初步结构设计；S3、依据剪应力最小原理，对完成初步结构设计的超高压容器进行自增强处理优化设计；S4、利用通用有限元软件，对完成步骤S3得到的超高压容器的设计结构开展应力分析，得到超高压容器结构的应力分布状况；S5、将步骤S4中得到的应力分析结果换算成等效应力，找出超高压容器结构的最大局部等效应力值；S6、将步骤S5中的最大局部等效应力值与所用材料的疲劳性能数据进行比对，当最大局部等效应力值大于所用材料的疲劳性能数据时，返回步骤S2，否则直接进入步骤S7；S7、根据步骤S5的最大局部等效应力值、所用材料的疲劳裂纹扩展门槛值和断裂力学理论，计算最小初始疲劳裂纹长度计算公式如下：$a_0^{\min }=\frac{1}{\pi }{\left(\frac{{\mathrm{\Delta K}}_{th}}{Y·{\mathrm{\Delta \sigma }}_{eq}^{\max }}\right)}^2$式中：$a_0^{\min }$为最小初始疲劳裂纹长度，m；ΔK_th为所用材料的疲劳裂纹扩展门槛值，MPam^1/2；是依据步骤S4的有限元分析获得的最大等效应力范围，MPa；Y为修正系数；S8、根据材料断裂韧性和断裂力学理论，计算最大疲劳裂纹长度a_f，计算公式如下：$a_f=\frac{1}{\pi }{\left(\frac{K_{IC}}{Y·{\mathrm{\Delta \sigma }}_{eq}^{\max }}\right)}^2$式中：a_f为最大疲劳裂纹长度，m；K_IC为所用材料的断裂韧性，MPam^1/2；是依据步骤S4的有限元分析获得的最大等效应力，MPa；Y为修正系数；并基于疲劳裂纹扩展试验数据建立精确的描述疲劳裂纹扩展速率的方程，方程式如下：$da/dN=c{({\mathrm{\Delta K}}^2-{\mathrm{\Delta K}}_{th}^2)}^n$式中：da/dN为疲劳裂纹扩展速率，m/cycle；a为疲劳裂纹长度，m；N为载荷循环次数，cycle；ΔK为应力强度因子范围，MPam^1/2；ΔK_th为所用材料的疲劳裂纹扩展门槛值，MPam^1/2；c和n为拟合系数；S9、根据步骤S7的最小初始疲劳裂纹长度、步骤S8的最大疲劳裂纹长度和描述疲劳裂纹扩展速率的方程，编写迭代程序进行计算得到超高压容器的预计使用寿命；S10、将步骤S9的计算结果与超高压容器疲劳设计寿命进行比较，满足设计寿命要求则进入步骤S11，否则重新进入步骤S2；S11、完成结构设计。