基于ANSYS 的厚壁圆筒的弹塑性应力分析.doc

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免费文档下载/本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：/doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html基于ANSYS的厚壁圆筒的弹塑性应力分析基于ANSYS的厚壁圆筒的弹塑性应力分析第卷第期年月青海大学学报（自然科学版）（）基于的厚壁圆筒的弹塑性应力分析贾红光（青海大学化学院，青海西宁）摘要：文中采用非线性方法对厚壁圆筒受内压的弹塑性应力进行分析，并通过的语言求解弹塑性应力及过载后的残余应力，为复杂结构、复杂应力的弹塑性问题求解提供了一种便捷方法。关键词：塑性；残余应力；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（：队，），：；塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性，具有路径相关性，塑性是不可恢复的，与加载历史有关的非线性问题。厚壁圆筒经自增强处理后之所以能够提高其承载能力和疲劳寿命，是因为在/doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html圆筒内表面一定区域内形成了有利的残余应力。所谓自增强处理原理是对圆筒内表面施加压力使其产生一定的塑性变形，当内压卸除后，圆筒内表面就会产生径向和切向的拉伸压缩残余应力。当其工作时，这部分残余应力就会抵消一部分圆筒内表面压力，从而达到提高其弹性强度极限和疲劳寿命的目的。因此，控制残余应力的大小，掌握其分布规律，是自增强处理技术的关键。迄今为止，国内外有许多学者对自增强厚壁圆筒残余应力分布规律进行过研究，基于不同的材料屈服准则、流动准则、强化准则及效应准则，提出过多种不同的力学和数学模型。对于求解精度有一定改进，但其求解过程非常复杂。另一方面部分材料的塑性和韧性较强，物体出现永久变形到最终破坏之间仍具有承受载荷的能力。研究应力超出弹性极限的范围，塑性变形及应力可以为充分发挥材料的强度提供参考。本文通过的语青快速求解残余应力的分布，为复杂应力场下的工程模型提供快速有效的方法。弹塑性问题考虑的重要因素屈服准则常用的屈服准则有屈服准则，屈服准则，最大偏应力屈服准则。了解了应力状态和屈服准则，程序就能确定是否有塑性应变产生。屈服准则的值也叫作等效应力，当等效应力超过材料的屈服应力时，将会发生塑性变形。流动准则是描述发生屈服时，塑性应变的方向，一般来说，流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的屈服准则推导出来的。收稿日期：作者简介：贾红光（一）。男，青海西宁人，副教授。研究方向：过程装备与控制工程。第期贾红光：基于的厚壁圆筒的弹塑性应力分析强化准则描述初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。（）当总应变较大，则由于弹性应变远小于塑性应变而常常被忽略，这样移动的本构模型被称为刚塑性模型。（）对于应力改变符号后产生反向屈服的情形，经常采用的模型有：等向强化模型，认为拉伸和压缩的屈服应力始终相等，即屈服曲面在应力空间中的相似。随动强化模型，考虑到包氏效应，认为拉伸屈服应力和/doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html压缩屈服应力之差，即弹性响应的范围始终不变旧。基于的弹塑性问题计算算例计算模型一厚壁圆筒（内半径外半径），轴向无限长，受到均匀内压。材料为碳钢，屈服强度，弹性模量（周向应力叮。以及等效应力的分布。有限元模型由于为轴对称平面应力问题，可用二维有限元模型，分析采用屈服准则，双线性随动强化模型，轴对称单元；划分网格时，沿径向划分段个节点，轴向划分段。边界条件有限元模型的底边（）的所有节点限制轴向位移，另一条边耦合轴向位移。内壁面（线）施加不同的内压，同时打开平面单元轴对称选项。弹塑性解程序初始加载内压载荷，通过循环语句，逐渐增大内压载荷，直至圆筒全屈服，完成循环，程序计算每次加载后的应力分布循环提取径向各节点的等效应力值。算例简化后的程序及注释如下：，），泊松比。求解在弹塑性状态下，径向盯，和选取轴对称单元设置弹性模量设置泊松比采用双线性随动强化模型设置屈服强度建立有限元模型划分网格！加节点约束！加耦合约束设置参数数组，木，咖，水，循环求解不同载荷下的弹塑性解。！定义时间步，://doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html，！时间标记，（木）！递增载荷！记录结果！后处理青海大学学报第卷木，！提取外壁面当量应力值木，！判断外壁处等效应力是否超过退出循环加载，此时壁厚方向全部塑性屈服宰宰宰！循环语句结束残余应力求解有限元模型同前，采用连续时间步方法，第一步加载，厚壁圆筒部分屈服后，卸载后求解其沿壁厚方向的残余应力，采用循环语句提取各节点的向，和周向应力。以及等效应力，算例简化后的程序及注释如下：，！定义时间步！载荷步！加载载荷！记录结果！载荷步卸载载荷为零！记录结果！求解，载荷步！后处理！设置数组！循环提取应力值到数组，枣，母，半，幸结果分析如图为弹塑性状态下沿壁厚方向的等效应力值，/doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html代表沿厚度方向的均匀分布的节点，表示内壁处节点，代表外壁处的节点，每一层代表此位置下不同内压下的应力值，厚壁圆筒在内压下全屈服，与通过￥屈服条件推导出的厚壁圆筒全屈服极限内压（去叽鲁）相致口。图为在内压时的等效应力分布，外壁处应力最小。图为内压的残余应力的等效应力分布。厚壁圆筒等效应力分布，厚壁圆筒内壁处已处于屈服状态，图为内压作用于厚壁圆筒，卸载后根据屈服条件推导出厚壁圆筒弹塑性解析解如表，其中，。，分别代表圆筒内半径、第期贾红光：基于的厚壁圆筒的弹塑性应力分析外半径、任意点处半径；只表示内压，矿，表示屈服压力。由表公式可计算出当时为圆筒在内压下的弹塑性交界面位置与图附合。解析解与结果对比（见表）发现，除内外壁面节点相差较大外，其余计算结果与理论基本一致。图不同载荷下等效应力值图内压下的等效应力图内压下的等效应力图内压作用下的残余应力表厚壁圆筒弹塑性解析解由表可知二者关系为：；岩（一鬈鲁）青海大学学报第卷图为沿厚度方向的残余应力值，为径向的三三三三三习残余应力，/doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html为周向残余应力，为等效应力。横坐标节点代表沿厚度方向的均匀分布的节点，表示瑚姗气内壁处节点，代表外壁处的节点。从图上可看出啪瑚在内壁处的周向残余应力较大，这样厚壁圆筒经过耋，“过载后就能够提高其承载能力和疲劳寿命。争司葺蠡巴毒爿已噜目产，一渤。?么一。、结论歹有限元计算方法是一种高效、灵活的计算弹塑茹性应力的方法，尤其是复杂结构下，多应力组合载荷瑚椭栅节点下，塑性问题解析法求解异常困难；而通过图沿厚度方向的残余应力的程序，可以完成连续的多载步弹塑性应力求【解，优势非常明显。自紧压力太大，圆筒的残余应力就会过大，导致圆筒长时间处于高应力状态，这样圆筒容易产生裂纹及脆性断裂，影响圆筒工作安全性；太小又不能满足强度要求，这就需要在找到一个圆筒最佳自紧压力要使的其工作时沿壁厚方向分布应力尽量均匀，通过的语言可以非常方便的进行多载荷步加载，多次重复计算，从而预测出最佳的自紧压力。而且可以根据材料的特性（屈服准则、强化准则）来计算材料的弹塑性变形。参考文献：周敏华，李晓谦厚壁圆筒最佳白紧压力的有限元分析现代制造工程，（）：王仁，黄文彬，黄筑平塑性力学引论北京：北京大学出版社，：王志文化工容器设计北京：化学工业出版社，：（责任编辑王宝通）基于ANSYS的厚壁圆筒的弹塑性应力分析作者：作者单位：://doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.htmlpar刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：贾红光， JIA Hongguang青海大学化工学院,青海,西宁,810016青海大学学报(自然科学版)JOURNAL OF QINGHAI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)2010，28(3)0次 参考文献(3条)1.王志文 化工容器设计 19962.周敏华.李晓谦.刘荣光.吴钰 厚壁圆筒最佳自紧压力的有限元分析 2008(8)3.王仁.黄文彬.黄筑平 塑性力学引论 1992 相似文献(10条)1.期刊论文 李小松.蔡安辉.Li Xiaosong.Cai Anhui 考虑相变塑性影响的渗碳淬火齿轮的残余应力 -机械传动2009,33(2)分析了渗碳淬火齿轮残余应力的形成,建立了一种含相变塑性的热弹性本构关系.利用有限元方法对一个渗碳淬火齿轮的残余应力进行了计算.并与实验结果进行了比较,讨论了引入相变塑性的效果.2.学位论文 胡少虬 大直径高强度高塑性高弹性模量铝合金研制及淬火残余应力演变规律研究 2007以微观组织设计为核心，采用相图微观组织设计工艺性能的研究思路，进行了相图计算、相变分析及相的鉴定，为工艺设计提供了科学可靠的理论和实验依据，研制出新型大尺寸喷射沉积超高强度高弹性模量高塑性铝合金(Al-10.0Zn-3Mg-1.6Cu-0.8Ni-0.8Zr，Fe为该合金设计了全套工艺，特别是开发出独特的四级固溶工艺和三级时效工艺，对150260mm试样实现平均抗拉强度b：770MPa，平均屈服强度m2=730MPa，平均延伸率=9，平均弹性模量E：75.5GPa。提出了理想固溶时效工艺设计理论及经验公式。合金性能整体水平达到了美国2002年最新开发的7085合金的研究水平(平均抗拉强度b=770MPa，平均延伸率6=11，平均弹性模量E：72GPa)。://doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.htmlar自动化控制的关键在于确认设备之间的核心关系式及明确判别标准，可以实现喷射沉积材料的组织稳定性和最优化，大幅度提高喷射沉积材料的质量。通过研究喷射沉积工艺流程自动化控制的五个核心关系式，为喷射沉积设备全面自动化改造奠定了核心技术。系统和全面地深入研究了淬火热应力、塑性变形、残余应力、淬火界面、试样形貌的演变规律，建立了一系列拓扑模型，发现了淬火角端效应、淬火动态薄膜效应、微观和宏观淬火塑性变形机制、塑性变形驱动力机理、应力变化规律、残余应力形成机制及分布规律、淬火塑性变形区形状变化规律和厚度对淬火残余应力影响规律等等，创立了全新的淬火残余应力研究体系，全面突破了70年代日本学者米谷茂建立的残余应力两层结构的经典模型。3.期刊论文 刘智.杨林.车磊.马宁.LIU Zhi.YANG Lin.CHE Lei.MA Ning 塑性变形T8碳素钢中渗碳体相的残余应力 -机械工程材料2007,31(1)运用X射线残余应力测量法分析了含有球状渗碳体的碳素钢在拉伸塑性变形后铁素体相及渗碳体相的残余应力情况.结果表明:在经过拉伸塑性变形后,铁素体相呈现残余压应力状态,而渗碳体相呈现残余拉应力状态;当施加的塑性应变在边界应变点之前,渗碳体的残余应力随应变值的增加而增大,而在边界应变点之后,残余应力呈下降趋势.观察发现渗碳体颗粒内部的断裂及渗碳体与铁素体结合边界部分的分离是引起渗碳体残余应力下降的原因.为了更好地理解渗碳体相和铁素体相之间的相互作用,在Eshelby/Mori-Tanaka模型的基础上分析了两相各自的塑性应变及两相间的塑性应变失配.4.学位论文 王臣 重轨压力矫直变形残余应力的数值模拟及实验研究 2007钢轨是铁路上的重要部件，钢轨内部存在的残余应力的大小和分布状态将直接影响钢轨的使用性能。矫直作为钢轨生产的最后一道工艺，对钢轨的平直度、残余应力的大小起决定性的作用。本文主要是通过压力矫直研究重轨辊式矫直过程中残余应力的形成机理和分布规律。本文以弹塑性大变形有限元理论为基础，利用有限元软件ANSYS的静态接触分析，模拟了重/doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html轨的压力矫直过程。将辊式矫直简化为连续七次反复弯曲的过程，建立了压力矫直的反复弯曲模型，并考虑接触应力对矫直结果的影响，进行了三维有限元模拟。分析了重轨压力矫直过程中应力应变规律及矫直过程中的残余应力分布情况。在模拟的基础上进行了压力矫直过程的光塑性实验。通过建立重轨三维压力矫直模型，分别分析了经过七次反复弯曲后中间断面等效残余应力分布情况，中间断面的纵向残余应力的大小和分布情况。分析结果表明：等效残余应力的大小分布状态都与压下量的大小有关，当压下量较大时，钢轨内部发生了较大的弹塑性变形，对等效残余应力的大小和分布都有一定影响；当压下量比较小时，钢轨内部没有发生塑性变形时，等效残余应力的大小和分布状态就没有大的变化。从应力的角度解释了重轨压力矫直过程的弹塑性变形机理，得出压力矫直过程的应力应变关系。并通过对比三个不同矫直规程的等效残余应力、截面纵向残余应力，得出了现场现行的矫直规程矫后残余应力的分布更合理。并得出了矫直过程的接触应力分布状态。采用光塑性材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行了压力矫直弯曲过程的光塑性实验。实验结果表明：由于矫直过程中的弹塑性变形不是很大，故在常温下按标准规程进行矫直过程的实验中，矫后不能将残余变形很好的保留下来。而在矫直过程中能够观察到清晰的彩色条纹，说明在矫直压下过程中的有一定的弹塑性变形。并可以通过实验观察到的等差条纹看出应力分布与矫直压下量的关系。5.期刊论文 张晓宏.赵海燕.蔡志鹏.吴甦.Zhang Xiaohong.Zhao Haiyan.Cai Zhipeng.Wu Su 小孔法测量残余应力时孔边塑性应变的有限元分析及修正 -机械工程学报2005,41(3)小孔法测量高残余应力时,小孔周围材料接近于屈服状态,由于产生塑性变形而引入塑性附加应变,使得测量结果产生很大的误差.研究了应变释放系数与主应力之间的双轴比、主应力方向与应变花方向夹角以及应力水平之间的关系,通过有限元数值试验的方法对应变释放系数进行标定,使其包含有塑性附加应变的影响,并利用标定后的应变释放系数对焊接残余应力测量结果进行了修正,得到了较好的结果.://doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html6.学位论文 韩建宇 自增强超高压反应管残余应力动态衰减规律及实验研究 2009超高压反应器是高压聚乙烯装置的关键设备，由于其操作压力高达230-360MPa、操作温度达360，介质为易燃易爆的乙烯，一旦设备发生泄漏爆炸等事故，将严重威胁到安全生产，造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此对超高压反应器运行状况进行监测对确保设备的运行安全、保护人员的生命安全十分必要。聚乙烯超高压反应器属自增强容器，反应器经自增强处理后器壁的残余应力能降低工作条件下的峰值应力、提高反应器的疲劳寿命，在器壁上保持适当水平的残余应力对设备的安全运行非常重要，但由于残余应力在运行工况下会逐渐衰减，其衰减的规律至今尚未完全得到认识，这将对设备的安全运行构成极大的威胁，对残余应力衰减的监测是反应器应力监测的难点及核心。本文以自增强超高压反应管残余应力动态衰减规律及实验为选题，对反应管在交变载荷作用下管壁内部残余应力衰减状况进行实测，并通过理论计算与对比分析，寻求管壁内部各层残余应力的衰减规律，建立各层残余应力衰减规律与外壁应力之间的关系。通过聚乙烯超高压反应器外表面应力的测量，揭示其内部残余应力衰减状况及规律，为现场反应器运行风险的监测开展基础研究。本文的研究工作重点包括：（1）通过查阅大量国内外文献及资料，系统总结了前人所做的工作，对自增强超高压反应器残余应力衰减的成因进行了系统分析，提出了进行残余应力动态衰减规律研究的新思路。（2）应用线弹性理想塑性模型、通用模型对反应器在不同自增强压力下外壁应力与内部初始残余应力关系式进行了推导。借助有限元分析方法对用解析法计算的环向残余应力沿壁厚分布进行了对比计算，表明对采用4333M4材料制造的反应器，用解析法推导出的外壁残余应力与内部初始残余应力衰减关系式能够准确表达两者间的关系。（3）以残余应力产生机理为基础，建立了反应器外壁应力与内部残余应力衰减关系的数学模型，获得了反应器外壁应力与内部残余应力衰减关系的解析式。（4）设计并制作了开展反应器残余应力衰减规律研究的实验/doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.html装置。对实验装置的结构进行了改进，消除了由于试件封头结构不合理对实验结果产生的影响，应用电液转换执行机构自动实现对实验简体连续加卸载，使残余应力能快速衰减，应用先进测量仪器保证了实验数据测量及记录的实时性和准确性。（5）对反应器材料进行了微观分析并对承载结构进行了应力分析。通过对反应器结构主应力及局部应力分布等分析计算，明确了现场条件下最佳应力测量部位。（6）选用金相分析法、硬度测量法、X光衍射残余应力测量法，结合数据统计分析对如何快速准确的测量出反应器弹塑性区分界面及残余应力进行了研究。（7）模拟现场操作条件对反应管残余应力衰减进行了试验研究。通过对试件施加交变载荷使残余应力快速衰减，寻找出残余应力衰减与循环次数之间的关系。（8）根据残余应力衰减与循环次数的总体衰减规律，选择代表一定残余应力衰减度的试件，对反应管内部残余应力及外壁残余应力衰减进行了实溅，建立了它们两者对应关系曲线，与理论关系进行比较分析，结果表明理论关系与实测关系总体趋势一致，为通过对外壁残余应力的检测来推断内部残余应力衰减状况提供依据。7.期刊论文 杜秀菊.刘继承.沈桂英 自增强管残余应力在交变内压作用下松弛规律的实验研究 -油气田地面工程2001,20(1)通过实验研究得出自增强管残余应力在交变内压作用下松弛规律的经验公式。在日本引进的疲劳试验机上模拟大庆石化总厂超高压聚乙烯反应器压力波动的实际工况，并采用沿内圆周逐层镗削法来测定自增强管残余应力值。根据实验测得数据，通过曲线拟合得出的经验公式为=423.533-160.4771/eN/1000，此公式最大误差为3.17%，衰减率为26.11%。由经验公式可知，残余应力在最初的循环次数下衰减很快，以后逐渐趋于稳定，并且残余应力不可能完全松弛掉。因此通过该公式可以预测自增强管残余应力在使用寿命期间的衰减情况，并为大庆石化总厂超高压聚乙烯反应器的安全评定提供依据。8.学位论文 王景鹏 脉冲电流作用下钢中淬火残余应力的弛豫和疲劳损伤恢复 2005://doc/b6bff0d2240c844769eaeed9.htmlar本文以20钢和40Cr钢为研究对象，探讨了脉冲电流对金属材料中残余应力弛豫和疲劳损伤恢复的影响。实验中，脉冲电流由电容器放电产生；用X射线应力分析仪测量残余应力，用光学显微镜和透射电镜(TEM)分析脉冲电流处理前后试样微观结构的变化。有关残余应力弛豫的实验结果表明，脉冲电流能有效地弛豫40Cr钢中的淬火残余应力，当电流密度达到6.3kA/mm2时，残余应力能够在700s的时间内完全消除，而试样的温升只有360，脉冲电流处理后，试样的结构没有发生变化；对电流热效应的分析结果表明，虽然它对残余应力的弛豫有一定作用，但不是主要因素。脉冲电流作用下残余应力弛豫的主要原因可能是