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基于线性匹配方法的核电站弯管在循环载荷下的安定性分析

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中国机械工程 2019年第19期30卷 2269-2275页

作者：陈小辉陈浩峰陈旭东北大学秦皇岛分校控制工程学院秦皇岛066004 思克莱德大学机械与航空工程系 Glasgow UKG1 1XJ 天津大学化工学院天津300072

进行了核电站90°弯管在内压和面内弯曲载荷作用下的棘轮效应试验,并采用数值方法研究了90°弯管的极限载荷、安定载荷和棘轮边界。利用理想弹塑性有限元分析,基于两倍弹性斜率准则和切线相交准则分别确定了90°弯管单独承受内压和弯曲... 详细信息

进行了核电站90°弯管在内压和面内弯曲载荷作用下的棘轮效应试验,并采用数值方法研究了90°弯管的极限载荷、安定载荷和棘轮边界。利用理想弹塑性有限元分析,基于两倍弹性斜率准则和切线相交准则分别确定了90°弯管单独承受内压和弯曲载荷的极限载荷;利用线性匹配方法确定了90°弯管在单独内压和弯曲载荷以及两者共同作用下的极限载荷和安定载荷;利用Ohno-Wang模型,结合C-TDF弹塑性有限元分析方法和线性匹配方法分别确定了90°弯管的棘轮边界;最后,对弹塑性有限元方法和线性匹配法确定的棘轮边界进行了比较。结果表明:两倍弹性斜率准则、切线相交准则和线性匹配方法确定的极限载荷误差为10.78%,其中弹性迭代的线性匹配法能高效、快速地进行计算。比较C-TDF法和线性匹配法确定的棘轮边界,结果发现:当内压在20~35 MPa之间时,两种方法确定的棘轮边界吻合很好;当内压小于20 MPa时,两种方法的预测结果呈现不同的趋势。

关键词： 90°弯管弹塑性有限元分析线性匹配法极限载荷棘轮边界

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核电站内压直管道在位移控制下的棘轮效应

东北大学学报（自然科学版） 2016年第7期37卷 990-993页

作者：陈小辉陈旭东北大学秦皇岛分校控制工程学院河北秦皇岛066004 天津大学化工学院天津300072

研究核电站直管道在恒定内压和循环位移作用下的棘轮效应,分析了内压、循环位移和多步载荷对内压管道棘轮应变的影响.结果表明:最大棘轮应变发生在直管的环向方向,轴向棘轮应变与环向棘轮应变相比小得多.在相同内压下,棘轮应变随着循环... 详细信息

研究核电站直管道在恒定内压和循环位移作用下的棘轮效应,分析了内压、循环位移和多步载荷对内压管道棘轮应变的影响.结果表明:最大棘轮应变发生在直管的环向方向,轴向棘轮应变与环向棘轮应变相比小得多.在相同内压下,棘轮应变随着循环位移的增大而增大;在相同位移下,棘轮应变随内压的增大而增大.采用多步加载时,前一步棘轮变形会降低后一步应有的棘轮应变率,尤其前一步具有较大的位移作用下发生棘轮应变后,这种现象十分明显.根据直管试验装置特点,确定了内压直管在位移控制下的棘轮边界.

关键词：压力直管位移控制试验研究棘轮应变棘轮边界

基于线性匹配法(LMM)的承压部件安定棘轮分析与评定

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压力容器 2018年第6期35卷 24-30页

作者：沈鋆彭恒陈浩峰刘应华清华大学工程力学系北京100084 思克莱德大学机械与航空系

ASMEⅧ-2规范中针对棘轮失效提供了3种方法,而这些方法在适用性和便捷性等方面有各自的局限性,不能广泛且快速地应用于工程实际。线性匹配法(LMM)是一种求解非线性材料结构响应的快速直接算法,可适用于任意的几何结构和任意的热-机载荷... 详细信息

ASMEⅧ-2规范中针对棘轮失效提供了3种方法,而这些方法在适用性和便捷性等方面有各自的局限性,不能广泛且快速地应用于工程实际。线性匹配法(LMM)是一种求解非线性材料结构响应的快速直接算法,可适用于任意的几何结构和任意的热-机载荷组合。以压力容器中最常见的带径向接管的筒体为例,运用LMM快速地确定了承压部件的安定和棘轮边界,并给出了详细的步骤,得出了可供工程设计参考的相关结论。

关键词：热应力棘轮分析设计线性匹配法棘轮边界安定边界

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复合载荷下局部减薄弯管棘轮变形分析

复合载荷下局部减薄弯管棘轮变形分析

作者：时宏锐天津大学

学位级别：硕士

本文利用多轴疲劳实验机配以适当的辅助机构对Z2CND18.12N材料完整结构弯管和外壁局部减薄弯管施加恒定内压叠加对称循环弯曲载荷，并对其棘轮应变进行测试。研究发现完整结构弯管内缘线、距内缘线45°位置和顶线均有较明显的棘轮应变... 详细信息

本文利用多轴疲劳实验机配以适当的辅助机构对Z2CND18.12N材料完整结构弯管和外壁局部减薄弯管施加恒定内压叠加对称循环弯曲载荷，并对其棘轮应变进行测试。研究发现完整结构弯管内缘线、距内缘线45°位置和顶线均有较明显的棘轮应变，且主要沿环向。外壁外缘线局部减薄弯管和顶线局部减薄弯管在局部减薄区域的棘轮应变主要沿环向，经向没有明显塑性应变积累。循环20圈后环向棘轮应变速率随循环圈数的增大而逐渐减小，但未见安定。局部减薄对弯管棘轮应变水平和棘轮应变率均有所影响。不同的局部减薄位置会改变弯管最大环向棘轮应变的位置。完整结构弯管和外缘线局部减薄弯管最大环向棘轮应变均发生在内缘线处，顶线局部减薄弯管最大环向棘轮应变在载荷循环前50圈发生在顶线局部减薄区域，之后内缘线处环向棘轮应变最大。利用ANSYS软件通过CH3和CJK两种循环塑性本构模型对完整结构弯管、外壁外缘线局部减薄弯管、外壁顶线局部减薄弯管的棘轮效应进行有限元分析并与实验结果对比，发现CJK模型的棘轮应变预测值与实验结果较吻合。利用CJK模型预测并分析恒定内压循环弯曲载荷作用下的外壁局部减薄弯管的棘轮应变。首先分析减薄深度对弯管棘轮应变的影响。发现减薄区域内外壁的环向棘轮应变均随减薄深度的增加而增大，与减薄深度变化呈非线性关系，且内外壁环向棘轮应变差值随减薄深度增加而逐渐增大。然后分析相同内压不同循环弯曲载荷作用下外壁局部减薄弯管的棘轮应变规律。发现相同内压下，循环弯曲载荷越大，局部减薄区域的棘轮效应越明显，棘轮应变速率越大。利用CJK模型对在恒定内压循环弯曲载荷作用下的内壁局部减薄弯管的棘轮效应进行预测与分析，发现外缘线局部减薄和顶线局部减薄弯管的最大环向棘轮应变均发生在顶线位置，内缘线局部减薄弯管的最大环向棘轮应变发生在内缘线位置。通过比较减薄深度d=1mm的内壁与外壁局部减薄弯管的棘轮应变，发现减薄位于外缘线与顶线时，内壁减薄使减薄区域产生较大棘轮应变。当减薄位于内缘线时，内壁减薄弯管的棘轮应变相对于外壁减薄弯管较小。在不同减薄深度下，减薄位于外缘线和顶线处，内壁减薄始终使减薄区域产生较大棘轮应变。减薄位于外缘线处，当减薄深度d1.25mm时，内壁减薄弯管在减薄区域的棘轮应变相对于外壁减薄弯管较小。采用CJK模型按照C-TDF方法确定恒定内压对称循环弯曲载荷作用下的完整结构弯管和局部减薄弯管棘轮边界。

关键词：棘轮效应有限元本构模型局部减薄弯管棘轮边界

轴向移动温差作用下焦炭塔筒体环焊缝连接区循环塑性分析

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轴向移动温差作用下焦炭塔筒体环焊缝连接区循环塑性分析

作者：郭丽丽河北工业大学

学位级别：硕士

焦炭塔是延迟焦化工艺中的关键设备，由于其复杂的温度及压力载荷，往往会发生鼓胀与开裂，影响设备的安全运行，对焦炭塔进行循环塑性分析有助于实现鼓胀及开裂的预测，保证设备安全。对焦炭塔焊缝区材料进行20℃，200℃，300℃和400... 详细信息

焦炭塔是延迟焦化工艺中的关键设备，由于其复杂的温度及压力载荷，往往会发生鼓胀与开裂，影响设备的安全运行，对焦炭塔进行循环塑性分析有助于实现鼓胀及开裂的预测，保证设备安全。对焦炭塔焊缝区材料进行20℃，200℃，300℃和400℃下的单轴拉伸与全寿命单轴棘轮效应实验;利用OW-II随动强化模型对母材区及焊缝区材料的棘轮应变进行了预测，结果表明OW-II随动强化模型能较好地预测材料稳定段的棘轮应变率。运用动态坐标系法对焦炭塔进水及进油两种工况进行了瞬态温度场分析，确定了轴向移动温差及其特征量，为焦炭塔循环塑性分析确定了简化的特征载荷。应用母材区金属材料OW-II本构模型参数对焦炭塔筒体进油生焦及进水冷焦两种工况进行循环塑性分析，发现进油及进水轴向温差渐变范围下对齐时结构具有更大的棘轮应变率;内压循环的同时作用会增大结构的棘轮应变。根据母材区本构模型参数确定了焦炭塔结构的棘轮边界，当进水轴向温差高度Hw较小时棘轮边界受内压循环的影响较大。通过对母材区与焊缝区材料在轴向温差载荷作用下的棘轮应变比较，相同载荷下焊缝金属的棘轮应变率较低，使得存在焊缝时焦炭塔的鼓胀发生在焊缝附近.对轴向移动温差作用下焦炭塔筒体环焊缝连接区进行循环塑性分析，计算表明这一位置约在焊缝之上10mm。当同时存在内压循环时结构会发生更大的棘轮应变，较大的内压循环载荷范围下结构棘轮应变率会更大。

关键词：棘轮效应本构模型轴向移动温差循环塑性棘轮边界

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循环热—机械载荷下压力管道的棘轮极限研究

循环热—机械载荷下压力管道的棘轮极限研究

作者：彭红宇武汉工程大学

学位级别：硕士

压力管道和压力容器广泛应用于化工,石油,军事和核电站等领域。这些构件通常承受稳定载荷和循环载荷的一个组合载荷,由于过量的塑性变形累积,而发生棘轮失效,严重影响安全性。由于理论推导的复杂性,世界各国标准中仅包含循环热-内压载... 详细信息

压力管道和压力容器广泛应用于化工,石油,军事和核电站等领域。这些构件通常承受稳定载荷和循环载荷的一个组合载荷,由于过量的塑性变形累积,而发生棘轮失效,严重影响安全性。由于理论推导的复杂性,世界各国标准中仅包含循环热-内压载荷下薄壁圆筒棘轮极限解析解（Bree图）,尚缺乏复杂载荷下压力管道棘轮极限解析解。为保障复杂载荷工况下压力管道的安全性,本文采用非循环法系统地推导了工程领域中常见复杂循环组合载荷下压力管道棘轮极限的解析解,并提出了相应的设计方法,主要工作及结论如下:（1）由重力等因素引起的轴向压缩应力会显著降低结构的棘轮极限。压力管道的棘轮极限会随着径比的增大而显著增加。（2）本文所提出的设计方法的特征是采用Von-Mises屈服准则,将承压外壳的组合载荷条件分为稳定载荷和循环载荷两部分。推导出的这些复杂载荷条件下压力管道棘轮极限包括:循环温度梯度和恒定内压组合载荷下压力管道的棘轮极限,循环温度梯度和恒定内压组合载荷下压缩端压力管道的棘轮极限,循环温度梯度和恒定弯矩组合载荷下压力管道的棘轮极限,循环温度梯度和恒定扭矩组合载荷下压力管道的棘轮极限,循环温度梯度和恒定弯扭组合载荷下压力管道的棘轮极限,循环扭矩和恒定内压组合载荷下压力管道的棘轮边界,循环扭矩和恒定弯矩组合载荷下压力管道的棘轮边界,循环弯矩和恒定扭矩组合载荷下压力管道的棘轮边界,以及循环弯矩载荷下内压直管的棘轮极限的解析解。（3）实验测试了500℃温度下20CrMo钢的单轴拉伸试验和单轴棘轮试验。结合实验数据分析了20CrMo钢的棘轮效应演变规律,最终确定了其棘轮极限的范围为200MPa~300 MPa。（4）本文所得到的解拓展了经典Bree评定图的适用范围,而且压力管道在循环热-机械载荷及类似工况下的棘轮极限能够采用所提出的相应设计方法进行评估,这种方法在工程上的适用性也很广泛,为复杂载荷条件下压力管道的棘轮极限工程设计奠定理论基础。

关键词：棘轮边界安定性压力管道非循环法循环热-机械载荷

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不锈钢内压直管棘轮变形测试

不锈钢内压直管棘轮变形测试

作者：朱建北天津大学

学位级别：硕士

棘轮变形问题给核电站管道的安全设计带来了严峻的挑战,它的危害性已经引起了国内外学者的广泛重视。利用本实验室自行设计的准三点弯曲试验装置,分别在横向位移和弯曲载荷控制方式下研究了Z2CND18.12N和Z2CN18.10两种材料内压直管的棘... 详细信息

棘轮变形问题给核电站管道的安全设计带来了严峻的挑战,它的危害性已经引起了国内外学者的广泛重视。利用本实验室自行设计的准三点弯曲试验装置,分别在横向位移和弯曲载荷控制方式下研究了Z2CND18.12N和Z2CN18.10两种材料内压直管的棘轮变形演化规律。试验结果表明棘轮应变主要产生于内压管道的环向,而轴向方向棘轮应变较小。研究了内压管道在位移控制和载荷控制下棘轮变形的演化规律,研究了控制方式对棘轮变形的影响,同时发现大的内压、循环位移和弯曲载荷会产生较大的棘轮变形,且初始棘轮应变率也较大。通过多步加载试验,发现加载历史对管道的棘轮变形有很大的影响,以往的加载历史会降低棘轮应变速率,这种现象在有大载荷加载历史的试样中尤为明显。同时,之前小载荷的加载历史对管道之后的棘轮变形影响较小,而之前大载荷的加载历史对管道之后的棘轮变形影响较大。此外,根据试验结果,初步确定了内压管道的棘轮边界曲线。最后,通过对两种材料内压直管棘轮变形的比较,发现Z2CND18.12N内压直管抗棘轮变形的能力要优于Z2CN18.10内压直管。

关键词：棘轮变形循环载荷循环位移加载历史棘轮边界

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核电站一回路辅助管道棘轮变形分析

核电站一回路辅助管道棘轮变形分析

作者：张琦天津大学

学位级别：硕士

本文对直管道在内压与弯矩和内压与扭矩组合载荷下的棘轮效应进行了预测分析,确定出相应的棘轮边界,同时对含球形凹坑缺陷压力管道的棘轮效应进行了分析研究。首先通过对Z2CND18.12N钢单轴拉伸和单轴棘轮试验曲线的拟合,确定了四种循环... 详细信息

本文对直管道在内压与弯矩和内压与扭矩组合载荷下的棘轮效应进行了预测分析,确定出相应的棘轮边界,同时对含球形凹坑缺陷压力管道的棘轮效应进行了分析研究。首先通过对Z2CND18.12N钢单轴拉伸和单轴棘轮试验曲线的拟合,确定了四种循环塑性模型的参数,然后使用ANSYS软件建立直管道有限元分析模型,对在多种工况下的核电站一回路辅助管道进行了棘轮应变预测。四种模型对直管道棘轮应变及其增长率的整体预测结果由大到小依次为:Chaboche模型、Ohno-Wang II模型、Chen-Jiao-Kim模型和双线性随动强化模型。在压力弯矩载荷工况下,恒定压力循环弯矩在所有载荷组合中等效棘轮应变及其应变率较大,而恒定压力循环扭矩在所有压力扭矩载荷组合工况中棘轮效应较为明显。在恒定压力循环弯矩的环向存在明显的棘轮应变,而恒定弯矩循环压力的轴向存在较大的塑性应变累积;恒定压力循环扭矩的环向正应变和恒定扭矩循环压力管道的环向剪应变有渐进的累积。利用四种循环塑性模型,按照C-TDF等效塑性应变增量控制法对恒定压力循环弯矩和恒定压力循环扭矩直管道的棘轮边界进行了确定。通过拟合得到不同温度下的Ohno-Wang II模型参数,从而对25℃、150℃、250℃和350℃下的恒定压力循环弯矩和恒定压力循环扭矩进行棘轮边界的预测,各温度下的棘轮边界变化趋势相似,随温度的升高棘轮安定区域变小。为使所得棘轮边界更具有工程实用意义,基于理想弹塑性理论对有限元分析所得的棘轮边界进行了无量纲化转换。利用Ohno-Wang II模型对无缺陷和含球形凹坑缺陷的压力管道局部危险位置进行了应力应变分析。结果表明,随管道循环载荷的不断施加,凹坑缺陷处会产生明显的棘轮应变。球形凹坑缺陷对承受恒定内压循环对称弯曲直管道的棘轮效应影响明显:内缺陷比外缺陷对管道棘轮效应影响大;缺陷深度比缺陷半径对管道棘轮效应影响大,且深度增大到一定程度时,内缺陷和外缺陷对管道棘轮效应的影响相同;在管道载荷增加的过程中,内部缺陷比外部缺陷对管道棘轮效应的影响更加明显。

关键词：棘轮效应循环塑性模型棘轮边界管道有限元

温度对循环载荷作用下内压直管棘轮效应的影响

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压力容器 2013年第12期30卷 15-23页

作者：陈小辉陈旭天津大学化工学院天津300072

为了保障核电压力管道安全运行,本文研究了温度对核电站一回路辅助奥氏体不锈钢Z2CND18.12N内压直管在循环载荷作用下棘轮效应的影响。非线性随动硬化模型和C-TDF方法分别用来评定循环载荷作用下内压直管的棘轮效应和棘轮边界。结果发现... 详细信息

为了保障核电压力管道安全运行,本文研究了温度对核电站一回路辅助奥氏体不锈钢Z2CND18.12N内压直管在循环载荷作用下棘轮效应的影响。非线性随动硬化模型和C-TDF方法分别用来评定循环载荷作用下内压直管的棘轮效应和棘轮边界。结果发现,直管的棘轮应变主要发生在环向,初始棘轮应变率较大,然后随着循环圈数减小;棘轮应变随着温度的增加而增大;内压直管的棘轮边界与温度无关。

关键词：管道棘轮效应循环塑性棘轮边界