基于可靠性的典型承压部件塑性极限载荷分析及强度设计系数评价

发布时间：2020-07-11 07:45

【摘要】：本文的研究背景来源于中国特检院承担的质检公益性行业科研专项“基于损伤模式的承压设备合于使用评价技术研究及应用”(201411024)。针对承压部件的塑性垮塌失效,采用理想弹塑性模型,对典型承压部件进行塑性极限承载能力分析。考虑现行设计标准中对承压结构几何参量、材料参量等不确定性的规定,结合实际生产中各参量的不确定性影响,对典型承压部件进行基于塑性失效模式的可靠性分析,最终得到强度设计系数计算方法,并与现行标准中规定的设计系数进行对比研究。为挖掘承压设备潜在承载能力、延长使用寿命、节能减排及设计标准从确定性向可靠性的转化提供理论及实验依据。本研究从塑性理论出发,采用有限元中的非线性分析方法与可靠性分析,对典型承压部件的极限载荷及塑性失效概率进行分析,主要解决了三方面问题:其一是研究基于塑性极限分析的典型承压部件可靠性分析方法,得到规则设计下几何参量、材料参量等对承压部件塑性失效概率分布的影响规律。其二是利用本文提出的可靠性分析方法,结合现行标准中对于承压设备所用材料的几何参量不确定性及材料参量不确定性的规定,建立基于可靠性的强度设计系数计算方法,并给出不同可靠度指标下强度设计系数的推荐值。其三是利用本文推导出的强度设计系数计算方法及强度设计系数分布曲线,对当前法规中确定性的强度设计系数进行评价,为标准的修订提供理论支持。本文的主要工作及成果如下:(1)将ANSYS有限元的非线性分析法与可靠性分析中的蒙特卡罗法相结合,建立了计算典型承压部件塑性失效概率分布的可靠性分析方法及分析程序,并将其与理论推导进行对比,验证了程序的准确性。(2)依据理论推导及有限元数值模拟结果,得到了截面含椭圆度的内压圆筒极限载荷计算公式。利用该公式与可靠性程序对带椭圆度内压圆筒进行可靠性分析,得到了几何参量及材料参量的不确定性对承压结构塑性失效概率的影响规律。(3)基于可靠性程序及一次二阶矩法,得到了内压圆筒在五种情况下(仅壁厚不确定;仅椭圆度不确定;仅屈服强度不确定;壁厚与屈服强度双参数不确定;壁厚、屈服强度、椭圆度三参数不确定)强度设计系数计算方法与推荐值。(4)将本文提出的基于可靠性强度设计系数与现行标准中的强度设计系数进行对比发现,若仅考虑单参量不确定,则现行标准中的强度设计系数较为保守。当考虑双参数不确定时,以壁厚为25mm为分界,在壁厚小于25mm时现行标准中的强度设计系数偏于危险,而当壁厚大于25mm时则偏于保守。当考虑三参数不确定时,以壁厚为40mm为分界,在壁厚小于40mm时现行标准中的强度设计系数偏于危险,而当壁厚大于40mm时则偏于保守。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH123;TB114.3
【图文】：

框图,研究技术,路线,框图

研究技术路线框图

牛顿,弧长法,迭代方法

式中 ————雅可比矩阵； ————恢复载荷矢量；i————当前的平衡迭代步；每次求解前，N-R 方法首先估计残差矢量，然后使用非平衡载荷线性求解，且检查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估计残差矢量，修改刚度矩阵，获得新解，持续该迭代过程直到问题收敛。该迭代方法的图形如图 2-1 所示。对于某些物理意义上不稳定系统的非线性分析，如果仅采用 N-R 法，正切刚度矩阵可能变为降秩矩阵，导致严重的收敛问题。为解决这一问题，ANSYS 提供了另一种迭代方法——广义弧长法。弧长法导致 N-R 平衡迭代沿一段弧收敛，从而增强了问题的收敛性，阻止发散。这种迭代方法的图形如图 2-2 所示。弧长法的基本思想是在由弧长控制的、包含真实平衡路径的增量位移空间中，用 N-R法搜索平衡方程的平衡路径，这种方法可以自动确定合适的增量载荷大小，直至载荷施加完毕或结构不能进一步承载，在必要时可以对结构施加负载荷，以适应结构刚度的下降，阻止求解发散。对于静态结构分析，可以使用对应的时间步长来代替载荷步，这样求出变形与时间的关系就相当于求出了变形与载荷关系。

弧长法,广义

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