含缺陷压力容器的振动疲劳寿命研究

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在工程应用领域,压力容器的工作环境复杂,为保证设备安全可靠地运行,对存在缺陷的压力容器安全可靠性评定是非常必要的。本文基于国家自然科学基金“多因素耦合下含缺陷结构概率断裂分析与安全评定研究”的支持,开展了考虑交变载荷作用下含缺陷压力容器结构疲劳寿命的研究,为更准确地进行压力容器的安全性评定提供依据。首先,在罐体内壁设定不同形式的非贯通半椭圆裂纹,建立了含裂纹压力容器罐体的三维有限元分析模型,通过设置不同的约束形式,计算了无缺陷压力容器和含未穿透半椭圆裂纹罐体的固有频率与振型。分析了约束设置的合理性,并得到了罐体振动的一阶固有频率及振型,为后续罐体的疲劳寿命计算提供了控制参数。其次,利用ANSYS软件,针对含中心裂纹板承受动态载荷建立获取应力强度因子的分析模型,并进行了有限元计算,精准获取了裂尖动态应力强度因子的值,同时与理论解作了对比。编写了获取结构由强迫振动到自由振动整个过程裂纹动态应力强度因子的命令流,采用相互作用积分法与附加外激励相结合的方法提取含三维裂纹时在振动条件下裂尖的应力强度因子,并进一步得到罐体振动时裂尖的应力强度因子变化幅值(△KI)。结果表明,动载峰值与准静态载荷相同时,动载作用下的应力强度因子的峰值大于静载下的应力强度因子,二者的失效形式也全然不同。同时,动态应力强度因子随着加载的持续进入稳定波动阶段,这为结构的疲劳寿命计算提供了准确的应力强度因子幅值。最后,计算了罐体自由振动时,不同裂纹参数影响下的动态应力强度因子,并以此为基础,进行了罐体寿命预测。结果表明裂纹深度变化对压力容器罐体的振动疲劳寿命影响最大;裂纹方向改变、初始激励的幅值水平与裂纹位置的不同也对结构的振动疲劳寿命有不可忽视的影响。本文探索了三维裂纹问题振动时的应力强度因子的提取方法,给出了含裂纹压力容器疲劳寿命的预测,研究方法可用于振动疲劳问题的分析,进一步可为压力容器的动态可靠性评估和安全评定提供参考依据。
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