블로그 약 연구는 볼록 압력 용기 헤드 설계 표준을 최적화합니다.

심해탐사, 항공우주, 석유화학 산업 등 첨단기술 분야에서는 외부 압력을 견디는 압력용기가 중요한 역할을 합니다. 이러한 용기의 핵심 구성 요소인 볼록 헤드의 안전성은 전체 시스템의 안정성을 직접적으로 결정합니다. 심해 잠수정의 머리 부분이나 로켓 연료 탱크에 좌굴이나 고장을 일으키는 설계 결함은 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 따라서 볼록 헤드 설계 방법에 대한 심층적인 연구와 최적화는 실질적으로 매우 중요합니다.

외부 압력을 받을 때 볼록 헤드는 주로 좌굴과 항복이라는 두 가지 실패 모드에 직면합니다. 엔지니어링 설계에서는 일반적으로 경험 기반 KDF(Knockdown Factor)를 사용하여 안전을 위한 이론적 좌굴 압력을 줄입니다. 그러나 재료 과학 및 제조 분야의 발전으로 인해 이러한 보수적인 접근 방식은 재료 낭비와 비용 증가로 이어질 수 있습니다. 결과적으로 좌굴 거동을 정확하게 예측하고 설계 방법을 최적화하는 것이 연구 우선순위가 되었습니다.

녹다운 계수(KDF)는 실제 헤드의 실험적 좌굴 압력과 이상적인 헤드의 이론적인 좌굴 압력의 비율로 정의됩니다. 초기 연구에서는 실험을 통해 KDF 값을 결정하는 데 중점을 두었지만 정밀한 결함 제어가 어려워 결과에 상당한 변동성이 나타났습니다. 최근 제조 발전(특히 Lee et al.의 폴리머 코팅 구형 성형 방법)을 통해 결함이 제어된 헤드 생산이 가능해졌으며 정확한 KDF 예측을 위한 새로운 경로가 제공되었습니다.

• 결함 유형 및 좌굴 성능:연구자들은 다양한 결함 유형에 대해 광범위한 실험과 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. Yanet al. Abbasi et al.은 두께 관통 결함의 기하학적 매개변수가 좌굴에 어떻게 영향을 미치는지 연구했습니다. 돌출부는 구형 헤드 좌굴에 최소한의 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. Derveniet al. 결함 간의 상호 작용을 조사했습니다.
• 실제 제조 결함:다른 연구에서는 실제 제조 결함이 포함된 반구형 헤드를 분석하여 엔지니어링 지침을 제공했습니다. Wagneret al. 하한 좌굴 압력을 결정하기 위해 등가 기하학적 결함으로 노치를 사용하고 제어된 변위를 통해 단일 덴트를 도입하는 것을 제안했습니다.

• 반구형 헤드:가장 단순한 볼록 헤드로서 설계 방법이 비교적 성숙되었습니다. 그러나 깊이가 깊어지면 특정 응용 프로그램이 제한됩니다.
• 구형 헤드:크라운 전환 영역의 상당한 가장자리 굽힘 응력에도 불구하고 깊이가 얕고 제조가 간단하여 널리 사용됩니다. Luet al. Blachut et al.은 유한 요소 해석을 통해 외부 압력 하에서 탄성-소성 좌굴 거동을 연구했습니다. 다층 금속 구형 헤드의 안정성을 조사했습니다. 왕 외. 온수기 바닥 헤드의 응력 상태와 좌굴 압력을 분석했습니다.
• 타원형 머리:더욱 부드러운 곡률 전환으로 더욱 균일한 응력 분포가 제공됩니다. 반구형 헤드와 구형 헤드 사이의 중간 깊이로 스탬핑을 통해 제조하기가 더 쉽습니다. Zingoni는 막 응력 분포를 평가하기 위한 이론을 개발했습니다. Li는 축대칭 타원형 머리 혈관에 대한 단순화된 분석 방법을 제안했습니다. Ross는 유리섬유 강화 플라스틱 타원형 헤드의 좌굴 모드를 연구했습니다.

새로운 설계 방법에도 불구하고 압력 용기 표준의 기본 규칙은 엔지니어링 초석으로 남아 있습니다. 글로벌 경제 강국은 볼록 헤드 디자인에 대한 각각의 표준을 확립했습니다. 이 분석은 다음과 같은 6가지 주요 표준에 중점을 둡니다.

• 중국: GB/T 150.3, GB/T 4732.3
• 미국: ASME VIII-1, ASME VIII-2, ASME 코드 케이스 2286-6
• 유럽 ​​연합: EN 13445-3

ASME VIII-1허용 가능한 외부 압력을 결정하기 위해 차트 기반 방법을 사용합니다. 광범위한 실험 데이터와 이론적 분석을 통해 파생된 이러한 차트는 편리하지만 정확성이 제한적입니다.ASME VIII-2(2007년부터)은 ASME Code Case N-284 및 2286-6 원리를 통합하여 허용 가능한 원주 압축 막 응력을 계산하는 공식 기반 방법으로 전환했습니다. 2019년 버전에서는 응력-변형률 곡선 모델을 기반으로 한 표준화된 방정식을 도입하여 이전 탄소강/저합금강 방법을 대체하여 탄소강, 저합금강, 고합금 및 비철 합금 등 모든 재료에 대해 제조된 상태에서 재료 반응을 정확하게 시뮬레이션했습니다.

EN 13445-3(2002-2021 에디션)은 곡선을 사용하여 허용 가능한 외부 압력을 결정하고 PD5500 표준(영국 BS5500의 후속 제품)에서 파생된 하한 곡선을 채택합니다.

GB/T 150.3또한 외부 압력 헤드 설계를 위한 차트 방법을 사용하며 일부 차트는 중국 실험 데이터를 기반으로 하고 다른 차트는 ASME 섹션 II, 파트 D를 참조합니다.GB/T 4732.3ASME Code Case 2286-6과 유사한 방법을 사용하며 부록 C에서는 탄소/저합금강에 대한 ASME Code Case 2286-6의 방정식과 ASME VIII-2의 응력-변형률 곡선 모델을 포함하여 추가적인 접선 계수 계산 규칙을 ​​제공합니다.

이 섹션에서는 주요 매개변수(예: 접선 계수, 설계 요소)의 차이점과 그 영향에 중점을 두고 표준에 따른 반구형, 구형 및 타원형 헤드 설계 규칙을 자세히 비교합니다.

접선 계수(특정 응력 수준에서의 재료 응력-변형 곡선 기울기)은 표준 전반에 걸쳐 다양한 계산 방법을 사용하여 좌굴 압력 계산에 결정적인 영향을 미칩니다.디자인 요소(안전 여유 계수)도 다양한 안전 고려 사항을 반영하여 다릅니다.

구형/타원체 헤드의 설계 복잡성을 고려하여 일부 표준에서는 계산을 위해 이를 반구형 헤드로 변환하는 동일한 방법을 사용합니다. 이 섹션에서는 이러한 방법의 장점과 한계를 비교합니다.

직관적인 표준 비교를 위해 이 기사에서는 다양한 표준을 사용하여 다양한 구형/타원체 헤드에 대한 좌굴 압력을 계산하고 동등한 반구형 헤드의 결과를 대조합니다.

선택된 엔지니어링 사례는 다양한 표준을 사용하는 헤드의 두께 계산을 보여주고 각 표준의 적용 가능성과 장단점을 명확히 합니다.

외부 압력 하에서 볼록 헤드 설계 규칙에 대한 포괄적인 검토 및 비교 분석은 엔지니어링 참조 및 연구 지침을 제공합니다. 향후 방향은 다음과 같습니다.

• 정확한 좌굴 예측 모델 개발:향상된 컴퓨팅 및 실험 기술을 활용하여 경험적 KDF에 대한 의존도를 줄입니다.
• 새로운 재료의 좌굴 거동 연구:엔지니어링 응용을 위한 외부 압력 하에서 새로운 재료의 성능을 조사합니다.
• 설계 방법 최적화:특정 애플리케이션에 대한 접근 방식을 맞춤화하여 안전성과 비용 효율성의 균형을 유지합니다.