棘轮评估方法研究进展.pdf

技术综述
压力容器与管道安定/棘轮评估方法研究进展
郑小涛,轩福贞2,喻九阳
(1.武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430205;2.华东理工大学承压系统与安全教育部重
点实验室,上海200237)
摘要:介绍了压力容器与管道安定/棘轮评估方法的研究进展,重点总结了考虑蠕变和不考虑蠕变
两种条件下结构的棘轮极限评估方法。结果表明,与直接法相比, Adibi-Asl和 Reinhardt等提出
的弹性模量修正法、 Martin等提出的混合方法及Abou-Hana等提出的修正屈服面法均可更高效
地评估棘轮极限载荷,适于工程计算。该研究对压力容器与管道及其他结构的安定性评估有一定
指导意义
关键词:安定性;棘轮;设计方法;标准规范;压力容器
中图分类号:TH49;7T050.2;T-65文献标识码:B文章编号:1001-4837(2013)01-0045-09
doi:10.3969/j.isna.1001-4837.2013.01.008
Advances in Shakedown/Ratcheting Estimation Methods for
Pressure Vessels and Piping
ZHENG Xiao-tao, XUAN Fu-zhen,YU Jiu-yang
(1. School of Electrical and Mechanical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, Chi
na: 2. Key Laboratory of Pressure System and Safety, East China University of Science and Technology
Ministry of Education, Shanghai 200237, China)
Abstract: Various simplified estimation approaches about shakedown/ratcheting limit loads for pressure
vessels and piping were reviewed and compared. Estimation approaches of ratcheting limit loads under
creep and non-creep conditions were stressed. Results show that, compared with the direct analysis meth
od, the modified elastic modulus method by Adibi -Asl and Reinhardt, the hybrid method by Martin as
well as the yield modification method by Abou-hanna have better efficiency, accuracy and applicability
for ratcheting limit loads estimation. This investigation has some guidance significance for practical shake
down/ratcheting evaluation of pressure vessels and piping
Key words: shakedown; ratcheting; design method; standards and codes; pressure vessel
效的设计方法已被纳入各个先进的设计规范,如
0引言
美国规范 ASME BO&PVP、欧盟EN134452、英
在压力容器与管道等工程领域,防止棘轮失国规程R5德国规范KTA及法国规范RCC-MR
基金项目:国家自然科学基金项目(No.50976080);武汉工程大学科学研究基金项目(No.14125061)
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CPVT
压力容器与管道安定/棘轮评估方法研究进展
Vol30 Nol 2013
等。近年来,基于失效模式的分析设计方法逐渐年,Bree?进一步分析了双轴热棘轮变形机理,获
被认可并推广使用,棘轮失效是循环载荷下结构得了类似的双轴Bre图,但为了简化分析,Bree
的主要失效模式之一,限制棘轮失效的棘轮极限忽略了各向应力之间的相互影响,即假定泊松比
分析显得日益重要。
为0,导致计算结果过于保守,因而并未获得广泛
弹塑性结构在循环载荷下主要表现出3种力的应用。陈刚等"-?认为实际结构往往是双轴
学行为(见图1)
问题(如焦炭塔),除承受内压、沿壁厚交变热载
(1)在反复载荷作用若干次后,累积的塑性之外,同时还有自重等引起的轴向压应力,进一步
变形趋于稳定,结构在后续载荷下产生弹性响应,研究了双轴问题的热棘轮变形机理,指出了
即弹性安定;
ASME相应规范及Bre图的适用范围及局限性,
(2)在反复载荷作用若干次后,塑性变形不如轴向压力将大幅降低内压圆筒抵抗热棘轮变形
断反复,形成稳定的交变塑性,即塑性安定
的能力,此时按Bree曲线(或ASME规范第Ⅲ卷
(3)结构在反复载荷作用下,累积的塑性变和第Ⅷ卷第二分册)给出的设计偏于危险。随
形不断增加,并最终导致结构破坏,即棘轮效应。后, Jiang等2通过直接简化方法,讨论了双梁结
构及Bree问题的棘轮极限。
(a)弹性安定(b)塑性安定(c)棘轮效应
图1理想弹塑性材料在循环载荷下的
0.0
1.0
力学行为
S:弹性安定区;P:塑性安定区;R:棘轮区
在简单结构的棘轮极限评估方面,一些学者
图2典型的Bree图
已得出了薄壁圆筒、双梁等在循环热一机载荷下
的棘轮极限载荷,使得这些结构的安定性设计变
到目前为止,针对复杂结构的弹性安定评估
得简便易行。1959年, Miler?将承受内压及沿方法已取得一定进展,这主要包括直接循环法、弹
壁厚有交变温度梯度的理想弹塑性薄壁囡筒简化性补偿法( Elastic Compensation Method)和非线性
为单轴模型,即仅考虑周向应力,确定了薄壁圆筒叠加法( Nonlinear Superstition Method)。直接循
产生热棘轮变形的临界条件,首次提出了适于压环法是通过计算结构在循环载荷下的应力应变响
力管道或压力容器安定设计的工程评定图。1967应及塑性应变累积来判别结构的安定行为,该方
年,Bre?将薄壁圆筒简化为仅承受周向应力的法直观且简便易行,是检验其他简化安定评估方
单轴模型,进一步阐述了热棘轮变形机理,推导了法有效性的工具。直接循环法的优点是可以分析
循环热一机载荷下薄壁圆筒安定极限载荷的理论任何类型的载荷组合,并能同时确定弹性安定极
公式,并建立了著名的Bre图(见图2),该图至限及塑性安定极限,但必须采用较多的循环数以
今仍是ASME锅炉与压力容器第Ⅲ卷和第Ⅷ卷第及一系列载荷组合分析来逼近安定极限载荷。
分册"及EN1345-3非直接火压力容器2? Camilleri等?基于有限元软件 ANSYS的直接循
等规范评定薄壁圆筒热棘轮的基本方法。1981环法研究了薄圆柱壳、厚圆柱壳及开孔圆柱売在
年, Megahed8研究了双梁结构在恒定机械载荷内压和交变热载荷作用下的棘轮极限,并将计算
及循环热载荷(