内压弯管受对称面外弯曲时的棘轮应变有限元分析

利用有限元法，采用弹性理想塑性模型，对受对称面外弯曲的内压弯管进行循环塑性分析。计算结果表明，在一定载荷作用下，弯管中部两顶线与内缘线之间有较大的塑性应变累积，且塑性应变区域随加载次数增加而增大。分析发现，棘轮应变沿多个方向发生，但以径向与环向为主，棘轮应变可用等效塑性应变描述。通过计算不同载荷下棘轮应变速率，得出结构的棘轮应变边界。由于采用弹性理想塑性模型，棘轮应变速率恒定，所得棘轮应变边界偏于安全，可供工程设计参考。     

载荷路径对内压弯管棘轮效应的影响

采用有限元软件对Z2CND18.12N不锈钢弯管的棘轮变形现象进行研究,将Chen-JiaoKim(CJK)随动强化模型嵌入ASNYS软件来保证模拟过程更加准确。弯管受到内压和交变面内弯曲载荷的作用,采用了多种的加载路径,研究了不同的加载路径条件下的棘轮变形,同时也研究了同一路径、不同方向对棘轮变形的影响。研究结果表明,在不同加载路径条件下,棘轮应变最大值都出现在了内缘线位置的环向,但棘轮应变值有一定的差别。不同路径对弯管棘轮效应的影响主要由于弯曲载荷施加过程中内压的不同,先施加弯曲载荷再提高内压的过程会极大地降低弯管棘轮效应。通过对路径优化前后弯管棘轮边界对比可以看出,路径的优化提高了弯管的棘轮边界。     

内压直管对称循环弯曲棘轮效应实验研究

利用多轴疲劳实验机及自行设计的准三点弯曲实验装置，对20钢直管在不同内压与不同循环弯曲载荷下进行棘轮应变测试。棘轮应变由应变计检测，直管径向变形由自行设计的径向位移引伸计检测。实验发现，内压直管在一定循环弯曲载荷作用下，将首先沿环向产生棘轮应变，随着载荷的增加，轴向也将产生棘轮应变，但较环向小。随着棘轮应变的产生，直管圆截面变为椭圆截面。无论是不同试件，还是同一试件的多载荷步实验，均发现相同内压下，循环弯曲载荷增大，棘轮应变速率增大；相同循环弯曲载荷下，内压增大，棘轮应变速率增大。多载荷步加载时，以往棘轮应变会降低应有的棘轮应变速率，尤其在较大的载荷下先发生棘轮应变后，这种影响十分明显。利用直管准三点弯曲实验装置，确定内压直管循环弯曲的棘轮边界。     

内压圆筒斜接管在面内循环弯曲载荷作用下的棘轮效应研究

利用自行设计的圆筒斜接管面内弯曲加载装置,采用电阻应变法,在多轴疲劳实验机上对面内循环弯曲载荷作用下的20#钢内压圆筒斜接管进行了棘轮效应试验研究,发现斜接管结构的锐角区存在棘轮应变,且主要发生在第一主应变方向即指向焊缝的方向。对于所研究的结构,最大棘轮应变点出现在对称面锐角区的接管侧。采用阶梯加载的方法获得了结构的棘轮边界点。利用修正的Jiang-Sehitoglu随动强化模型(MJS)对结构进行了循环塑性分析,并按日本三维有限元应力评价委员会(C-TDF)提出的等效塑性应变增量控制法确定了结构棘轮边界线,可用于评价结构的塑性安定性。     

温度对循环载荷作用下内压直管棘轮效应的影响

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。     

轴向移动温差作用下焦炭塔筒体循环塑性分析

对焦炭塔材料15Cr Mo R在20℃、200℃、300℃及400℃下进行单轴拉伸试验与单轴棘轮效应试验,利用OW-II随动强化模型对材料的棘轮应变进行预测,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油及进水两种工况进行瞬态温度场分析,确定轴向移动温差及其特征量,为焦炭塔循环塑性分析确定简化的温差特征载荷。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。通过参数化计算,确定焦炭塔结构的棘轮边界,当进水轴向温差高度较小时棘轮边界受内压循环的影响较大。     

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

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。     

含腐蚀缺陷弯管的极限载荷分析

应用有限元分析软件ANSYS对含腐蚀缺陷弯管在内压载荷作用下进行有限元分析。分析中考虑了材料非线性和几何非线性的影响,并根据Binfu失效准则,计算分析出弯管不同缺陷尺寸对弯管极限载荷的影响、弯管缺陷处的应力分布状态以及缺陷处随内压改变而变化的应力应变图。根据腐蚀区的应力应变图,对模型的塑性极限载荷压力进行预测,得出了缺陷尺寸对塑性极限载荷的影响及变化规律。     

面内循环弯矩作用下内压筒体斜接管结构棘轮边界的确定

利用正交设计方法,确定了16个内压筒体斜接管结构的尺寸参数,采用MJS模型按照等效塑性应变增量控制法对这些结构在面内循环弯矩作用下的棘轮边界进行了计算,并采用最小二乘法对无量纲化的棘轮边界进行了拟合。利用多元回归分析法找到了拟合公式中各系数与结构参数的关系,从而确定了内压斜接管结构棘轮边界的经验公式。根据此式,讨论了不同的结构参数对棘轮边界的影响。     

7075铝合金的单轴棘轮行为

采用单轴拉压循环试验研究了T651热处理态7075铝合金在不同应力幅及平均应力下的棘轮行为,并对试验前后铝合金的显微组织进行观察与分析。结果表明:不同循环载荷下7075铝合金均表现出明显的棘轮应变累积特征;在循环初期,铝合金的塑性变形很明显,棘轮应变速率较大,这与铝合金中位错密度增大、位错弹性应力场增强、大量位错缠结的出现有关;随着循环次数的增加,塑性变形累积明显减小,棘轮应变速率呈近线性缓慢增加趋势;棘轮应变累积随应力幅或平均应力的增大而增加。     

不同材料的室温单轴应变循环特性和棘轮行为研究

通过对U71Mn轨道钢和316L不锈钢室温下单轴应变控制和应力控制循环的实验研究，就两种材料的应变循环特性和棘轮行为进行研究和比较。讨论应变循环下应变幅值和平均应变的大小及其历史对应变循环特性的影响以及应力循环下应力幅值和平均应力的大小及其历史对棘轮行为的影响，同时还讨论了应变循环与应力循环间的交互作用。研究中着重对两种材料的循环特性进行比较，得到一些有助于进行合理本构描述的结果。     

高压自紧式法兰密封结构研究

对高压自紧式法兰密封结构进行研究，推导自紧式法兰密封比压和螺栓载荷的计算公式，并通过有限元方法进行了验证。结果表明：密封比压与内压呈一阶线性递增的关系：密封面越窄密封比压随内压递增速度越快，法兰端面与T形垫片支撑面间隙越大则初始密封比压越大。对某自紧式法兰进行结构以及热-结构耦合分析，研究内压、温度、弯矩工况的影响。结果表明：升温对高压和低压2种工况的密封性能影响不同，低压下升温使密封比压增大，高压下升温则会使密封比压有所减小；高压自紧式法兰密封受压侧垫片密封面上应力随弯矩增大先减小，但当弯矩增大到一定值后，该应力随着弯矩的增大而增大。     

多种循环加载制度下Q235材料性能试验

对Q235钢进行了变应力载荷幅值及不同预变形和载荷保持时间等条件下的循环加载试验,并分析了其力学响应和材料性能。研究结果表明：Q235钢在应力控制的循环加载过程中表现出明显的循环软化特性和棘轮效应,棘轮应变的大小主要取决于载荷水平;当循环载荷逐级增大时,前期的变形会导致后期的棘轮应变增大;而当循环载荷逐级减小时,后期的棘轮应变值取决于最大载荷时的棘轮应变,且棘轮应变率接近于零;当预变形的响应应力峰值小于后期控制应力峰值时,预变形对材料的棘轮效应具有抑制作用,且预变形量越大,抑制效果越明显;载荷保持时间延长会使材料的棘轮应变增大,棘轮应变率增大,从而加速材料失效。     

内压支撑下薄壁管弯曲变形力学分析

管件内压弯曲又称为管件充液弯曲,具有减小截面畸变,延缓薄壁管内侧失稳起皱,提高弯曲成形极限等优点。支撑内压在其中起到了关键性的作用,对于环向和轴向的应力应变分量具有重要影响。采用塑性理论,对内压和弯矩共同作用下的薄壁管弯曲变形进行理论分析。考虑内压对微元平衡方程的影响,建立一个新的理论分析模型,通过求解非线性方程组,得到薄壁管应力应变的分布规律,定量分析内压对薄壁管应力应变的影响趋势。同时通过将有限元分析得到的应力应变分量的信息,与理论解进行对比发现,理论预测和模拟结果相符合,验证所建立的理论分析模型的可靠性。结果表明,轴向和环向应力随内压升高均大大提高,环向应变随内压升高线性递增,而厚向应变线性减小。     

Experiments on the buckling under internal pressure of thin torispherical ends of cylindrical pressure vessels

Ten cylindrical pressure vessels with torispherical ends, all of the same constant nominal thickness, were tested under internal pressure to observe the buckling behaviour of the toroidal knuckle. All specimens were of constant internal cylinder diameter to thickness ratio of 531·5. The sphere radius was equal to the cylinder diameter and only the torus radius was varied. Buckling was detected by rotating probes at the sphere/torus junction and at the mid-point of the torus. The buckling pressure increased with increasing torus radius and the two specimens with the largest torus radii did not buckle.For all specimens, the change of meridional shape with increase in pressure was measured. For one specimen, strain gauges were used to study the variation of circumferential strain on the inside and outside surface at the sphere/torus junction due to variation in thickness round the circumference.A simple theoretical expression for the buckling pressure, similar to the Rankine formula for a strut, is suggested.     

Ratcheting behavior of cylindrical pipes based on the Chaboche kinematic hardening rule

In this study, cyclic loading behavior of thick cylindrical pipes are described. Effects of internal pressure level and axial strain amplitude on the ratcheting rate under different types of loading histories are investigated. The kinematic hardening theory based on the Chaboche model is used to predict the plastic behavior of the structures. An iterative method is developed to analyze the structural behavior under cyclic loading conditions based on the Chaboche kinematic hardening model.     

Low-endurance fatigue of an aluminium alloy and a stainless steel in plane bending at ambient and elevated temperatures

Flat uniform specimens were cyclically bent over formers. At room temperature two strain ratios were used, R = −1 and 0, i.e. reversed symmetrical and asymmetrical strains, respectively, the strain ratio being defined as the ratio of the minimum to the maximum strain in a cycle. The increase in the value of the strain ratio was found to decrease the fatigue life of the aluminium alloy and to increase it for the stainless steel. For room temperature tests and at R = −1, the bending moment at maximum strain was found to increase in the early part of the test and was then followed by a decrease until fracture occurred, whilst for R = 0 a continuous decrease occurred throughout the tests. The effect of test temperature on fatigue life was found to be considerable and throughout the tests at elevated temperature the cyclic bending moment decreased.