一种焦炭塔承压外壳安定极限设计方法技术

本发明专利技术公开了一种焦炭塔承压外壳安定极限设计方法，用来弥补ASME锅炉及压力容器规范和EN13445等设计标准缺乏焦炭塔承压外壳安定性设计理论的不足，本发明专利技术提出的设计方法的特征是采用Von-Mises屈服准则，将焦炭塔承压外壳的载荷分为常机械载荷和循环热载荷两部分，用于推导恒定重力、内压和循环热载荷下焦炭塔承压外壳安定极限的解析解，并提出相应的设计方法。本设计方法可用于焦炭塔承压外壳及类似工况下结构的安定极限设计和评估，为复杂条件下焦炭塔承压外壳安定性评估奠定理论依据，具有良好的工程价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种焦炭塔承压外壳安定极限设计方法，尤其适用于焦炭塔承压外壳及类似工况下结构的安定极限设计。
技术介绍
在机械载荷和交变的热载荷组合载荷下，构件会产生永久积累的变形，这种现象一般称为热棘轮效应。热棘轮是焦炭塔承压外壳常见的失效模式之一。近年来，基于失效模式的分析设计方法逐渐被认可并推广使用，限制棘轮失效的安定极限设计方法显得日益迫切。焦炭塔承压外壳由于特殊的工艺条件，承受循环温度载荷和恒定内压载荷，加之重力等因素产生的轴向压缩应力，易发生不安定而加速了热棘轮失效的进程，目前的ASME、EN13445、JB4732等相关规范中尚缺乏相关条件下的设计方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种焦炭塔承压外壳安定极限设计方法，用于推导恒定重力、内压和循环线性热梯度载荷下焦炭塔承压外壳的安定极限的解析解，为复杂条件下焦炭塔承压外壳安定性设计和评估提供理论依据。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种焦炭塔承压外壳安定极限设计方法，包括以下步骤：(1)假设承压焦炭塔承压外壳的材料为理想弹塑性小应变材料，在承载过程中遵从Von-Mises屈服准则，实际工程中，焦炭塔承压外壳承受稳定内压pi、重力引起的轴向压力pc和循环线性热梯度载荷ΔT的组合载荷；(2)若循环热应力沿承压外壳的厚度方向保持弹性，环向热应力和轴向热应力表示为：&sigma;thθ(r)=σthz(r)=|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|Ri≤r≤RoΔσth=EαΔT/2(1-v)---(1)]]>式中，Δσth为热应力振幅张量，E、α和v分别为弹性模量、热膨胀系数和泊松比，r是焦炭塔塔壁半径，Ro和Ri分别是焦炭塔承压外壳外径与内径，上标θ和z代表环向和轴向；随着线性热梯度载荷的增大，焦炭塔承压外壳的内、外表面首先出现屈服，且屈服区域随线性热梯度载荷的增加而增大，当发生屈服时，焦炭塔承压外壳的热应力分布如下：σthθ(r)=σth2(r)=|σsrep(r-Ri+Ro2)|Ri+Ro2-rep<r<Ri+Ro2+repσthθ(r)=σthz(r)=σsRi≤r≤Ri+Ro2-repRi+Ro2+rep≤r≤Ro---(2)]]>式中，σs为屈服应力，rep为焦炭塔承压外壳上屈服层厚度；根据Von-Mises屈服准则，当线性热梯度载荷沿承压外壳的厚度方向保持弹性时，相应的等效热应力为：(σth(r))eq=|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|---(3)]]>当焦炭塔承压外壳的外纤维发生屈服时，相应的等效热应力为：(σth(r))eq=|σsrep(r-Ri+Ro2)|---(4)]]>在稳定内压pi和重力引起的轴向压力pc下，焦炭塔承压外壳的环向应力和轴向应力为σmθ=pi(Ro+Ri)4(Ro-Ri)σmz=pi(Ro+Ri)4(Ro-Ri)+pc---(5)]]>在这种情况下的Von-Mises等效应力(σm)eq为：σmeq=34σmθ2+pc2=3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2---(6)]]>同样，当循环线性热梯度载荷保持在弹性范围内，根据热应力产生的剩余强度，建立恒定机械载荷下的极限载荷平衡方程，则有∫RiRo2π3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2pc2rdr=∫RiRo2π[σs-|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|]rdr---(7)]]>此时即循环线性热梯度载荷保持在弹性范围内的安定极限为：σ‾mθ=3(k-1)(k+1)lnk23+4m2[1-Δσ‾th4]---(8)]]>式中，为稳定内压pi与极限压力pL的比值，且m为重力引起的轴向压力pc与环向应力的比值，为热应力振幅张量Δσth与屈服应力σs的比值，k为焦炭塔承压外壳外径与内径的比值，k＝Ro/Ri；当焦炭塔承压外壳的外纤维发生屈服时，根据热应力产生的剩余强度，建立恒定机械载荷下的极限载荷平衡方程，则有∫RiRo2π3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2rdr=2π∫Ri+Ro2-repRi+Ro2+rep(σs-|σsrep(r-Ri+Ro2)|)×rdr---(9)]]>此时即焦炭塔承压外壳的外纤维发生屈服时的安定极限为：σ‾mθ=3(k-1)(k+1)lnk23+4m2Δσ‾th---(10)]]>同理，无量纲参数定义为k＝Ro/Ri；由式(8)和式(10)得到不同重力引起的轴向压力下焦炭塔承压外壳的安定极限(结果表明，当存在额外的轴向压缩应力时，焦炭塔承压外壳的安定极限显著减小)；(3)为便于进行焦炭塔承压外壳不同高度部位的安定极限设计，这里定义量纲一机械载荷和量纲一热载荷分别为mp=σθp/σs,mz=σzp/σs,mt=σT/σs,]]>其中为稳定载荷引起的焦炭塔承压外壳的总环向应力和总轴向应力，σT为虚拟最大热应力绝对值，q为总环向应力和总轴向应力的比值，且满足关系mz/mp＝q，那么，式(8)和式(10)变化为：mt=4[1-mp(q+0.5)2+0.75]1/(2(q-0.5)2+0.75)≤mp≤1/(q-0.5)2+0.75---(11)]]>mt=1/(mp(q-0.5)2+0.75)0≤mp≤1/(2(q-0.5)2+0.75)---(12)]]>经典的BREE解为：mt＝4[1-mp]0.5≤mp≤1.0(13)mt＝1/(mp)0.0≤mp≤0.5(14)当不考虑重力引起的轴向应力时，q＝0，式(11)、(12)分别化简为式(13)、(14)，与经典的BREE解一致。本专利技术与现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焦炭塔承压外壳安定极限设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)假设承压焦炭塔承压外壳的材料为理想弹塑性小应变材料，在承载过程中遵从Von‑Mises屈服准则，实际工程中，焦炭塔承压外壳承受稳定内压pi、重力引起的轴向压力pc和循环线性热梯度载荷ΔT的组合载荷；(2)若循环热应力沿承压外壳的厚度方向保持弹性，环向热应力和轴向热应力表示为：σthθ(r)=σthz(r)=|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|Ri≤r≤RoΔσth=EαΔT/2(1-v)---(1)]]>式中，Δσth为热应力振幅张量，E、α和v分别为弹性模量、热膨胀系数和泊松比，r是焦炭塔塔壁半径，Ro和Ri分别是焦炭塔承压外壳外径与内径，上标θ和z代表环向和轴向；随着线性热梯度载荷的增大，焦炭塔承压外壳的内、外表面首先出现屈服，且屈服区域随线性热梯度载荷的增加而增大，当发生屈服时，焦炭塔承压外壳的热应力分布如下：σthθ(r)=σthz(r)=|&sigma;srep(r-Ri+Ro2)|Ri+Ro2-rep<r<Ri+Ro2+repσthθ(r)=σthz(r)=σsRi≤r≤Ri+Ro2-repRi+Ro2+rep≤r≤Ro---(2)]]>式中，σs为屈服应力，rep为焦炭塔承压外壳上屈服层厚度；根据Von‑Mises屈服准则，当线性热梯度载荷沿承压外壳的厚度方向保持弹性时，相应的等效热应力为：(σth(r))eq=|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|---(3)]]>当焦炭塔承压外壳的外纤维发生屈服时，相应的等效热应力为：(σth(r))eq=|σsrep(r-Ri+Ro2)|---(4)]]>在稳定内压pi和重力引起的轴向压力pc下，焦炭塔承压外壳的环向应力和轴向应力为σmθ=pi(Ro+Ri)2(Ro-Ri)σmz=pi(Ro+Ri)4(Ro-Ri)+pc---(5)]]>在这种情况下的Von‑Mises等效应力(σm)eq为：σmeq=34σmθ2+pc2=3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2---(6)]]>同样，当循环线性热梯度载荷保持在弹性范围内，根据热应力产生的剩余强度，建立恒定机械载荷下的极限载荷平衡方程，则有∫RiRo2π3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2rdr=∫RiRo2π[σs-|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|]rdr---(7)]]>此时即循环线性热梯度载荷保持在弹性范围内的安定极限为：σ‾mθ=3(k-1)(k+1)ln k23+4m2[1-Δσ‾th4]---(8)]]>式中，为稳定内压pi与极限压力pL的比值，且m为重力引起的轴向压力pc与环向应力的比值，为热应力振幅张量Δσth与屈服应力σs的比值，k为焦炭塔承压外壳外径与内径的比值，k＝Ro/Ri；当焦炭塔承压外壳的外纤维发生屈服时，根据热应力产生的剩余强度，建立恒定机械载荷下的极限载荷平衡方程，则有∫RiRo2π3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2rdr=2π∫Ri+Ro2-repRi+Ro2+rep(σs-|σsrep(r-Ri+Ro2)|)×rdr---(9)]]>此时即焦炭塔承压外壳的外纤维发生屈服时的安定极限为：σ‾mθ=3(k-1)(k+1)ln k23+4m2Δσ‾th---(10)]]>同理，无量纲参数定义为k＝Ro/Ri；由式(8)和式(10)得到不同重力引起的轴向压力下焦炭塔承压外壳的安定极限；(3)为便于进行焦炭塔承压外壳不同高度部位的安定极限设计，这里定义量纲一机械载荷和量纲一热载荷分别为mp=σθp/σs,mz=σzp/σs,mt=σT/σs,]]>其中为稳定载荷引起的焦炭塔承压外壳的总环向应力和总轴向应力，σT为虚拟最大热应力绝对值，q为总...

【技术特征摘要】
1.一种焦炭塔承压外壳安定极限设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)假设承压焦炭塔承压外壳的材料为理想弹塑性小应变材料，在承载过程中遵从
Von-Mises屈服准则，实际工程中，焦炭塔承压外壳承受稳定内压pi、重力引起的轴向压力pc和循环线性热梯度载荷ΔT的组合载荷；
(2)若循环热应力沿承压外壳的厚度方向保持弹性，环向热应力和轴向热应力表示为：
σthθ(r)=σthz(r)=|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|Ri≤r≤RoΔσth=EαΔT/2(1-v)---(1)]]>式中，Δσth为热应力振幅张量，E、α和v分别为弹性模量、热膨胀系数和泊松比，r是焦炭
塔塔壁半径，Ro和Ri分别是焦炭塔承压外壳外径与内径，上标θ和z代表环向和轴向；
随着线性热梯度载荷的增大，焦炭塔承压外壳的内、外表面首先出现屈服，且屈服区域
随线性热梯度载荷的增加而增大，当发生屈服时，焦炭塔承压外壳的热应力分布如下：
σthθ(r)=σthz(r)=|σsrep(r-Ri+Ro2)|Ri+Ro2-rep<r<Ri+Ro2+repσthθ(r)=σthz(r)=σsRi≤r≤Ri+Ro2-repRi+Ro2+rep≤r≤Ro---(2)]]>式中，σs为屈服应力，rep为焦炭塔承压外壳上屈服层厚度；
根据Von-Mises屈服准则，当线性热梯度载荷沿承压外壳的厚度方向保持弹性时，相应
的等效热应力为：
(σth(r))eq=|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|---(3)]]>当焦炭塔承压外壳的外纤维发生屈服时，相应的等效热应力为：
(σth(r))eq=|σsrep(r-Ri+Ro2)|---(4)]]>在稳定内压pi和重力引起的轴向压力pc下，焦炭塔承压外壳的环向应力和轴向应力
为
σmθ=pi(Ro+Ri)2(Ro-Ri)σmz=pi(Ro+Ri)4(Ro-Ri)+pc---(5)]]>在这种情况下的Von-Mises等效应力(σm)eq为：
σmeq=34σmθ2+pc2=3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2---(6)]]>同样，当循环线性热梯度载荷保持在弹性范围内，根据热应力产生的剩余强度，建立恒
定机械载荷下的极限载荷平衡方程，则有
∫RiRo2π3pi2(Ro+Ri)216...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑小涛，彭红宇，程阳，喻九阳，林纬，徐建民，王成刚，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42