论文题目: 材料多轴棘轮效应本构描述及压力管道棘轮效应预测
论文类型: 博士论文
论文专业: 化工过程机械
作者: 高炳军
导师: 陈旭
关键词: 棘轮效应,循环塑性,本构模型,棘轮边界,有限元,弯头,管道
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 利用自行设计的直管准三点弯曲实验装置、弯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循环弯曲载荷作用下的20#钢内压直管、弯管进行了棘轮效应研究。利用自行设计的径向位移传感器监测了管子的径向变形。对于直管,发现棘轮应变首先沿环向产生,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。对于90~°弯管,无论是长半径还是短半径,最大棘轮应变发生在顶线位置处,为环向应变;对于45°弯管,距内缘线45°位置处的棘轮应变较顶线位置大。随着棘轮应变的产生,弯管圆截面变为椭圆截面。多载荷步加载时,以往棘轮应变历史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,确定了内压直管循环弯曲的棘轮边界。考察了现有循环塑性本构模型,发现能够适用于各种材料各种加载路径的本构模型还不存在,但对某类材料寻求较为适宜的本构模型完全可能。尤其Ohno-Wang模型及基于Ohno-Wang模型的改进模型的出现,很大程度上提高了材料及结构的多轴棘轮效应预测的准确性。利用ANSYS的用户编程特性UPFs,通过编写USERPL.F子程序,将Ohno-Wang模型及其修正模型嵌入ANSYS软件,实现了结构循环塑性分析。利用ANSYS程序对循环弯曲载荷作用下的内压直管与弯管进行了弹塑性分析,通过比较各模型对直管、弯管棘轮应变的预测,发现对于直管、弯管中的E90S及E45L,修正的Jiang-Sehitoglu模型的预测结果更好一些,而对于弯管中的E90L,Chen-Jiao-Kim模型预测值与实验值能够较好地吻合。对于循环弯曲载荷作用下的内压直管,讨论了确定棘轮边界的现有规范及方法,发现采用修正的Jiang-Sehitoglu模型按C-TDF方法确定的棘轮边界线能够较好地界定安定区。采用修正的Jiang-Sehitoglu模型按C-TDF方法确定了面内循环弯曲载荷作用下内压弯管E90L、E90S及E45L的棘轮边界。根据等强度原则推导了内压弯管的理论壁厚分布,并根据弯管的加工特点,提出一种假定的壁厚分布,可有效改善弯管抗棘轮应变能力。
论文目录:
第一章 文献综述
1.1 棘轮效应
1.2 耦合类多轴棘轮效应本构模型
1.2.1 Armstrong-Frederic动力恢复模型
1.2.2 Chaboche模型
1.2.3 Ohno-Wang模型
1.2.4 McDowell 模型
1.2.5 Jiang-Sehitoglu模型
1.2.6 混合模型
1.3 压力容器与管道棘轮效应
1.3.1 结构热棘轮效应
1.3.2 循环弯曲载荷作用下压力管道的棘轮效应
1.4 分析讨论
1.5 本文的工作及研究意义
1.5.1 本文工作
1.5.2 研究意义
第二章 压力管道棘轮应变的试验研究
2.1 20~#钢单轴拉伸与单轴棘轮效应
2.1.1 试件
2.1.2 单轴拉伸实验
2.1.2 单轴棘轮效应实验
2.2 循环弯曲载荷作用下内压直管棘轮效应的实验研究
2.2.1 实验装置与测试系统
2.2.2 实验结果与分析讨论
2.2.3 小结
2.3 面内循环弯曲载荷作用下内压弯管棘轮效应的研究
2.3.1 实验装置与测试系统
2.3.2 实验结果与分析讨论
2.3.3 小结
第三章 弹塑性有限元计算方法研究
3.1 Ohno-Wang(OW-II)模型基本方程
3.2 基于Euler后退法OW-II模型的塑性应变的求解
3.2.1 计算方法
3.2.2 一致性切向矩阵及试算应变增量计算
3.3 OW-II模型在ANSYS程序中的嵌入与计算验证
3.3.1 OW-II模型在ANSYS程序中的嵌入
3.3.2 计算验证
3.4 小结
第四章 压力管道棘轮应变分析与预测
4.1 几个典型随动强化模型的模型参数确定
4.1.1 双线性随动强化(BKH)模型
4.1.2 Chaboche模型
4.1.3 OW-II模型
4.1.4 Jiang-Sehitoglu模型及Chen-Jiao模型
4.2 内压直管对称循环弯曲棘轮应变分析及本构模型的确定
4.2.1 内压直管对称循环弯曲棘轮应变分析
4.2.2 各模型对PSPSCB棘轮应变的模拟
4.2.3 内压直管对称循环弯曲棘轮应变分析本构模型的确定
4.3 MJS模型对PSPSCB棘轮效应的模拟
4.4 内压弯管对称循环弯曲棘轮应变分析及本构模型的确定
4.4.1 内压弯管对称循环弯曲棘轮应变分析
4.4.2 内压弯管对称循环弯曲棘轮应变分析本构模型的确定
4.5 内压弯管对称循环弯曲棘轮应变模拟
4.5.1 CJK模型对E90L棘轮应变的模拟
4.5.2 MJS模型对E905-3 棘轮应变的模拟
4.5.3 MJS模型对E45L棘轮应变的模拟
4.6 讨论
4.7 小结
第五章 压力管道棘轮边界的确定
5.1 关于棘轮边界的现有规范及方法
5.1.1 ASME/KTA规范
5.1.2 Efficiency diagram rule(RCC-MR)
5.1.3 扩展安定理论(Extended shakedown theory)
5.1.4 C-TDF方法
5.1.5 几种方法的评述
5.2 循环弯曲载荷作用下内压直管循环边界的确定
5.3 循环弯曲载荷作用下内压弯管循环边界的确定
5.4 小结
第六章 理想弯管截面形状的讨论
6.1 基于等强度原则内压弯管的理论壁厚
6.2 纯弯曲下弯管截面厚度
6.3 推制法弯管截面厚度
6.4 假定弯管截面厚度下棘轮应变分析
6.5 小结
第七章 结论
主要符号说明
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
发布时间: 2006-05-24
参考文献
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