含内裂纹海洋工程压力容器的疲劳寿命分析

发布时间：2017-04-05 16:20

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【摘要】：海洋平台作为服役于恶劣环境并且承受风、波浪、海流和地震等多种载荷作用的结构体,压力容器是海洋平台的重要组成部分,和大多数承压设备一样,容器筒体会产生各种损伤和缺陷,在有缺陷的部位会产生裂纹,在复杂载荷和环境的条件下,会使压力容器的裂纹扩展加剧,进而导致压力容器发生疲劳破坏和断裂失效,将会造成灾难性的破坏。因此,对疲劳裂纹扩展行为的预测方法以及疲劳裂纹扩展规律的研究显得非常重要,这在实际工程应用中有着重要的研究价值。文中主要采用有限元软件模拟和理论计算相结合的研究方法,对含内裂纹海洋油气集输工程压力容器的疲劳寿命进行分析,并对含内裂纹压力容器基于疲劳寿命的可靠性分析。对含内裂纹海洋油气集输工程压力容器主要研究内容和研究成果如下:(1)针对压力容器的复杂结构和受力状况,取含内裂纹筒体的一部分作为研究对象,建立含内表面椭圆形浅裂纹筒体的有限元模型,运用ANSYS/workbench有限元软件对含内表面椭圆形浅裂纹压力容器在内压、附加载荷以及温度载荷共同作用下的疲劳寿命,通过计算分析得出轴向裂纹、环向裂纹、裂纹长度、裂纹深度、以及裂纹间夹角对疲劳寿命的影响,并比较得出轴向裂纹和裂纹深度是影响疲劳寿命的主要因素。另外,与Paris公式计算得出的结果进行比较,分析其造成误差的原因,在实际工程应用中有一定的参考价值。(2)考虑到材料的机械性能、裂纹缺陷的尺寸、以及工况载荷都存在着不确定性和随机性,对含缺陷压力容器基于疲劳寿命的可靠性分析,分别计算在一定可靠度与在一定可靠度和置信度下的剩余寿命,对得出的结果进行分析。并与理论计算的结果比较,得出理论计算的结果要比蒙特卡洛模拟法计算出的结果大的多,得到理论计算的结果偏差较大,不建议在工程实际中应用。
【关键词】：压力容器 疲劳裂纹扩展 疲劳寿命 可靠性 蒙特卡洛模拟
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH49
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 课题的研究背景及意义12-13
• 1.2 压力容器疲劳缺陷的研究现状13-17
• 1.3 海用、陆用压力容器之异同17-18
• 1.4 疲劳裂纹扩展研究中存在的问题18-19
• 1.5 论文的主要内容19-21
• 1.5.1 研究的意义19
• 1.5.2 研究内容及主要工作19-21
• 第二章 裂纹扩展基础与疲劳分析21-30
• 2.1 裂纹的类型21-22
• 2.1.1 按几何特征分类21
• 2.1.2 按裂纹的力学特征分类21-22
• 2.2 疲劳裂纹的扩展过程22-23
• 2.3 影响疲劳裂纹扩展速率的因素23-27
• 2.3.1 影响裂纹扩展的内部因素23-24
• 2.3.2 影响裂纹扩展的外部因素24-27
• 2.4 应力强度因子27-29
• 2.4.1 表面裂纹应力强度因子IK27-28
• 2.4.2 压力容器中裂纹的应力强度因子IK的计算28-29
• 2.4.3 受内压圆筒形压力容器，内裂纹应力强度因子IK的计算：29
• 2.5 小结29-30
• 第三章 疲劳分析方法及疲劳裂纹扩展规律30-36
• 3.1 疲劳分析方法30-31
• 3.1.1 断裂力学法30
• 3.1.2 局部应力—应变法30-31
• 3.1.3 可靠性设计方法31
• 3.2 疲劳裂纹的亚临界扩展31-33
• 3.2.1 疲劳裂纹的亚临界扩展速率31-32
• 3.2.2 Paris公式32-33
• 3.3 裂纹张开位移? 的计算方法33-35
• 3.3.1 D-M模型34-35
• 3.4 小结35-36
• 第四章 含裂纹海洋工程压力容器的疲劳寿命分析36-53
• 4.1 理论计算方法36
• 4.2 含内裂纹压力容器的热力耦合分析36-37
• 4.3 有限元分析37-40
• 4.3.1 有限元模型的建立38-39
• 4.3.2 海洋平台压力容器边界条件的施加39-40
• 4.4 ANSYS软件疲劳寿命计算与Paris公式计算做比较40-44
• 4.4.1 含轴向内裂纹压力容器疲劳寿命的计算40-41
• 4.4.2 含环向内裂纹压力容器疲劳寿命的估算41-44
• 4.5 含内裂纹海洋工程压力容器疲劳寿命的计算和分析44-49
• 4.5.1 含轴向内裂纹海洋工程压力容器疲劳寿命的计算和分析44-46
• 4.5.2 含环向内裂纹海洋工程压力容器疲劳寿命的计算和分析46-49
• 4.6 含双裂纹海洋工程压力容器的疲劳寿命分析49-52
• 4.7 小结52-53
• 第五章 基于压力容器疲劳寿命的可靠性分析53-58
• 5.1 理论分析53-55
• 5.1.1 基本公式53
• 5.1.2 可靠度基本理论53-54
• 5.1.3 蒙特卡洛模拟法54-55
• 5.2 在一定可靠度和置信度下的剩余寿命55
• 5.3 实例计算55-57
• 5.4 小结57-58
• 结论与展望58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文65

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