ブログ について 試験 は 凸 の 圧力 容器 の 頭 の 設計 基準 を 最適化 する

深海探査、航空宇宙、石油化学産業などのハイテク分野では、外圧に耐える圧力容器が重要な役割を果たしています。これらの容器の主要コンポーネントである凸型ヘッドの安全性は、システム全体の安定性を直接決定します。深海潜水艇のヘッドやロケット燃料タンクの設計上の欠陥が座屈や破損を引き起こした場合、壊滅的な結果につながる可能性があります。したがって、凸型ヘッド設計方法の詳細な研究と最適化は、非常に重要な実用的な意味を持っています。

外圧を受けると、凸型ヘッドは主に座屈と降伏という2つの破壊モードに直面します。エンジニアリング設計では、通常、経験に基づいたノックダウン係数（KDF）を使用して、安全のために理論上の座屈圧力を低減します。しかし、材料科学と製造技術の進歩に伴い、この保守的なアプローチは材料の無駄とコストの増加につながる可能性があります。その結果、座屈挙動を正確に予測し、設計方法を最適化することが研究の優先事項となっています。

ノックダウン係数（KDF）は、実際のヘッドにおける実験的な座屈圧力と、理想的なヘッドにおける理論的な座屈圧力の比として定義されます。初期の研究では、実験を通じてKDF値を決定することに焦点が当てられましたが、欠陥を正確に制御することが難しいため、結果には大きなばらつきが見られました。最近の製造技術の進歩、特にLee et al.のポリマーコーティングされた球形金型法は、制御された欠陥を持つヘッドの製造を可能にし、正確なKDF予測のための新たな道を開きました。

• 欠陥の種類と座屈性能： 研究者は、さまざまな欠陥の種類について広範な実験と数値シミュレーションを実施しました。Yan et al.は、貫通欠陥の幾何学的パラメータが座屈にどのように影響するかを研究し、Abbasi et al.は、膨らみが球形ヘッドの座屈に及ぼす影響が最小限であることを発見しました。Derveni et al.は、欠陥間の相互作用を調査しました。
• 実際の製造欠陥： その他の研究では、実際の製造欠陥を含む半球形ヘッドを分析し、エンジニアリングの指針を提供しました。Wagner et al.は、ノッチを等価な幾何学的欠陥として使用して、下限の座屈圧力を決定することを提案し、制御された変位を介して単一のへこみを導入しました。

• 半球形ヘッド： 最も単純な凸型ヘッドとして、その設計方法は比較的成熟しています。ただし、その深さが大きいことは、特定の用途を制限します。
• 球形ヘッド： クラウン遷移ゾーンでの大きなエッジ曲げ応力にもかかわらず、その浅い深さと簡単な製造により、広く使用されています。Lu et al.は、有限要素解析を介して外圧下での弾塑性座屈挙動を研究し、Blachut et al.は、多層金属球形ヘッドの安定性を調査しました。Wang et al.は、湯沸かし器の底部ヘッドの応力状態と座屈圧力を分析しました。
• 楕円形ヘッド： そのより滑らかな曲率遷移は、より均一な応力分布を提供します。半球形ヘッドと球形ヘッドの中間の深さであり、スタンピングによる製造が容易です。Zingoniは、膜応力分布を評価するための理論を開発し、Liは、軸対称楕円形ヘッド容器の簡略化された解析方法を提案し、Rossは、ガラス繊維強化プラスチック楕円形ヘッドの座屈モードを研究しました。

新しい設計方法が登場しているにもかかわらず、圧力容器規格の基本的なルールは、エンジニアリングの基礎であり続けています。世界の経済大国は、凸型ヘッド設計に関するそれぞれの規格を確立しています。この分析では、6つの主要な規格に焦点を当てます。

• 中国：GB/T 150.3、GB/T 4732.3
• 米国：ASME VIII-1、ASME VIII-2、ASME Code Case 2286-6
• 欧州連合：EN 13445-3

ASME VIII-1 は、許容外圧を決定するためにチャートベースの方法を採用しています。これらのチャートは、広範な実験データと理論分析から導き出されており、利便性を提供しますが、精度は限られています。 ASME VIII-2 （2007年以降）は、ASME Code Case N-284および2286-6の原則を組み込んだ数式ベースの方法に移行し、許容周方向圧縮膜応力を計算しています。2019年版では、応力-ひずみ曲線モデルに基づいた標準化された方程式が導入され、すべての材料（炭素鋼、低合金鋼、高合金、非鉄合金）について、製造された状態での材料応答を正確にシミュレートし、以前の炭素/低合金鋼の方法を置き換えました。

EN 13445-3（2002-2021年版）は、PD5500規格（英国BS5500の後継）から導き出された下限曲線を採用し、許容外圧を決定するために曲線を使用しています。

GB/T 150.3 も、外圧ヘッド設計にチャート方式を使用しており、一部のチャートは中国の実験データに基づいており、その他はASME Section II、Part Dを参照しています。 GB/T 4732.3 は、ASME Code Case 2286-6と同様の方法を採用しており、付録Cでは、ASME Code Case 2286-6の炭素/低合金鋼用の方程式やASME VIII-2の応力-ひずみ曲線モデルなど、追加の接線弾性係数計算ルールを提供しています。

このセクションでは、半球形、球形、楕円形ヘッドの設計ルールを規格間で比較し、主要なパラメータ（例：接線弾性係数、設計係数）の違いとその影響に焦点を当てます。

接線弾性係数 （特定の応力レベルでの材料の応力-ひずみ曲線の傾き）は、座屈圧力の計算に不可欠であり、規格間で計算方法が異なります。 設計係数 （安全マージン係数）も異なり、さまざまな安全上の考慮事項を反映しています。

球形/楕円形ヘッドの設計の複雑さを考慮して、一部の規格では、計算のためにそれらを半球形ヘッドに変換する等価方法を使用しています。このセクションでは、これらの方法の利点と制限を比較します。

直感的な規格比較のために、この記事では、さまざまな規格を使用して、さまざまな球形/楕円形ヘッドの座屈圧力を計算し、結果を等価な半球形ヘッドと比較しています。

選択されたエンジニアリングケースでは、さまざまな規格を使用したヘッドの厚さ計算を示し、各規格の適用性とトレードオフを明確にしています。

外圧下での凸型ヘッド設計ルールのこの包括的なレビューと比較分析は、エンジニアリングの参考資料と研究の指針を提供します。今後の方向性には以下が含まれます。

• 精密な座屈予測モデルの開発： 改善されたコンピューティングと実験技術を活用して、経験的なKDFへの依存を減らす。
• 新しい材料の座屈挙動の研究： エンジニアリング用途向けに、外圧下での新しい材料の性能を調査する。
• 設計方法の最適化： 特定の用途に合わせてアプローチを調整し、安全性とコスト効率のバランスを取る。