压力容器内部储存着大量的能量,一旦过载引发爆破,后果是灾难性的。精确的爆破压力计算不仅可以保证容器安全的运行,还能减少材料的浪费。压力容器爆破压力的常用分析方法可分为理论计算、试验测量和数值模拟等三种。理论计算方法通过理论推导求得压力容器爆破压力的计算公式,因材料的非线性和容器几何结构复杂性给求解解析解带来了很大困难,因此仅适用于圆柱壳或球壳等简单结构容器。试验测量方法一般需要进行大量实际容器爆破试验,根据试验结果拟合爆破压力计算公式,因此成本很高,而且试验结果还受制造精度的影响。数值模拟根据容器的实际结构建立模型,采用材料真实的本构关系计算容器的爆破压力,是一种简便高效的方法。特别是对于带接管压力容器,目前还没有一种有效的爆破压力计算方法,本文通过数值模拟和试验研究相结合的方法,提出容器的爆破压力计算公式,研究结果具有重要的理论意义和工程应用价值。本文首先总结了常用的爆破压力计算公式,分析了现有计算公式的局限性。通过拉伸试验得到材料的真实本构模型,采用弹塑性分析法,进行大量不同结构的压力容器爆破压力数值模拟计算,拟合得到同时适用于不带接管和带接管容器的爆破压力计算公式。论文的主要研究工作和成果如下:(1)通过拉伸试验得到的材料真实应力和真实应变关系,建立基于多线性等向强化的材料本构模型。采用弹塑性分析法,进行压力容器爆破压力数值模拟计算,得到导致总体结构不稳定的塑性垮塌载荷,即爆破压力。(2)比较三台容器的爆破压力数值模拟和爆破试验结果,发现两者吻合较好,验证了爆破压力数值模拟方法的可靠性。从容器爆破的位置来看,不带接管容器最大应变位置出现在筒体中间位置,而带接管容器最大应变位于接管与筒体连接处,其结果与爆破试验的爆破位置一致。(3)常用的爆破压力计算公式包括:中径公式、福贝尔公式、史文逊公式和Cloud公式,与数值模拟方法相比,对于不带接管的容器,两者的计算精度基本相当;但对于带接管的容器,采用数值模拟计算的爆破压力误差明显小于常用公式计算误差。(4)采用数值模拟方法研究了长径比对爆破压力的影响。当长径比较小时,封头对筒体的加强作用显著,爆破压力随长径比增大而降低;当长径比较大时,封头对筒体几乎没有加强作用,爆破压力不随长径比变化。(5)分析了带接管容器的开孔参数对爆破压力的影响规律。结果发现,容器爆破压力随着开孔率的增大而逐渐降低,随着接管与筒体厚度比的增加而明显升高。(6)通过大量爆破压力数值模拟数据拟合,得到了综合考虑长径比和接管开孔系数等参数的碳钢容器爆破压力计算公式。该经验公式同时适用于不带接管和带接管容器的爆破压力计算。
