Блог около Исследование оптимизирует стандарты конструкции выпуклого давляющего сосуда

В высокотехнологичных областях, таких как глубоководная разведка, аэрокосмическая и нефтехимическая промышленность, сосуды под давлением, выдерживающие внешнее давление, играют жизненно важную роль. Сохранность выпуклых головок — ключевых компонентов этих сосудов — напрямую определяет стабильность всей системы. Конструктивный недостаток, вызывающий коробление или выход из строя головной части глубоководного подводного аппарата или бака ракетного топлива, может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому углубленное исследование и оптимизация методов проектирования выпуклых головок имеют важное практическое значение.

Под воздействием внешнего давления выпуклые головки в первую очередь сталкиваются с двумя видами разрушения: короблением и текучестью. В инженерных проектах обычно используются основанные на опыте коэффициенты нокдауна (KDF) для снижения теоретического давления потери устойчивости в целях безопасности. Однако с развитием материаловедения и производства этот консервативный подход может привести к потерям материала и увеличению затрат. Следовательно, точное прогнозирование поведения потери устойчивости и оптимизация методов проектирования стали приоритетами исследований.

Коэффициент нокдауна (KDF) определяется как отношение экспериментального давления потери устойчивости в реальных головках к теоретическому давлению потери устойчивости в идеальных головках. Ранние исследования были сосредоточены на определении значений KDF посредством экспериментов, но результаты показали значительную изменчивость из-за трудностей с точным контролем дефектов. Последние производственные достижения, в частности метод сферической формы с полимерным покрытием Ли и др., позволили производить головки с контролируемыми дефектами, предлагая новые пути для точного прогнозирования KDF.

• Типы дефектов и характеристики устойчивости:Исследователи провели обширные эксперименты и численное моделирование различных типов дефектов. Ян и др. изучали, как геометрические параметры сквозных дефектов влияют на коробление, а Аббаси и др. обнаружили, что выпуклости минимально влияют на изгиб сферической головки. Дервени и др. исследовал взаимодействие между дефектами.
• Реальные производственные дефекты:В других исследованиях были проанализированы полусферические головки, содержащие фактические производственные дефекты, что послужило инженерным руководством. Вагнер и др. предложил использовать насечки в качестве эквивалентных геометрических дефектов для определения нижнего предела давления потери устойчивости, создавая отдельные вмятины посредством контролируемого смещения.

• Полусферические головки:Поскольку это простейшие выпуклые головки, их методы проектирования относительно зрелы. Однако их большая глубина ограничивает некоторые приложения.
• Сферические головки:Несмотря на значительные напряжения изгиба кромок в переходных зонах коронки, меньшая глубина и более простое изготовление обуславливают их широкое применение. Лу и др. изучали поведение упруго-пластического выпучивания под внешним давлением с помощью анализа методом конечных элементов, в то время как Blachut et al. исследовали стабильность в многослойных металлических сферических головках. Ван и др. проанализировано напряженное состояние и давление продольного изгиба в нижних головках водонагревателя.
• Эллипсоидальные головки:Их более плавные переходы кривизны обеспечивают более равномерное распределение напряжений. Благодаря промежуточной глубине между полусферической и сферической головками их легче изготавливать штамповкой. Зингони разработал теории оценки распределения мембранного напряжения; Ли предложил упрощенные методы анализа осесимметричных эллипсоидных сосудов головы; Росс изучал формы потери устойчивости в эллипсоидных головках из пластика, армированного стекловолокном.

Несмотря на появление новых методов проектирования, фундаментальные правила стандартов для сосудов под давлением остаются краеугольным камнем инженерной мысли. Мировые экономические державы установили соответствующие стандарты для конструкции выпуклой головки. Этот анализ фокусируется на шести ключевых стандартах:

• Китай: ГБ/Т 150,3, ГБ/Т 4732,3
• США: ASME VIII-1, ASME VIII-2, код ASME 2286-6.
• Европейский Союз: EN 13445-3.

АСМЭ VIII-1использует картографические методы для определения допустимого внешнего давления. Эти диаграммы, полученные на основе обширных экспериментальных данных и теоретического анализа, удобны, но имеют ограниченную точность.АСМЭ VIII-2(с 2007 г.) перешел на методы, основанные на формулах, включающие принципы ASME Code Case N-284 и 2286-6, для расчета допустимых окружных сжимающих мембранных напряжений. В выпуске 2019 года были представлены стандартизированные уравнения, основанные на моделях кривых напряжения-деформации, которые точно моделируют реакцию материала в исходном состоянии для всех материалов — углеродистой стали, низколегированной стали, высоколегированных и цветных сплавов — заменив предыдущие методы углеродистой/низколегированной стали.

В стандарте EN 13445-3 (редакции 2002–2021 гг.) используются кривые для определения допустимого внешнего давления, принимая кривые нижней границы, полученные из стандартов PD5500 (преемников британского BS5500).

ГБ/Т 150,3также использует методы диаграмм для расчета внешнего напора, при этом некоторые диаграммы основаны на китайских экспериментальных данных, а другие ссылаются на раздел II ASME, часть D.ГБ/Т 4732,3используются методы, аналогичные стандарту ASME 2286-6, с приложением C, в котором представлены дополнительные правила расчета касательного модуля, включая уравнения из кода ASME Case 2286-6 для углеродистых/низколегированных сталей и модели кривых напряжения-деформации из ASME VIII-2.

В этом разделе подробно сравниваются правила проектирования полусферических, сферических и эллипсоидных головок в разных стандартах, уделяя особое внимание различиям в ключевых параметрах (например, касательном модуле, конструктивных факторах) и их влиянии.

Тангенциальный модуль(Наклон кривой напряжения-деформации материала при определенных уровнях напряжения) критически влияет на расчеты давления потери устойчивости, при этом методы расчета различаются в разных стандартах.Факторы проектирования(коэффициенты запаса безопасности) также различаются, что отражает различные соображения безопасности.

Учитывая сложность конструкции сферических/эллипсоидных головок, в некоторых стандартах используются эквивалентные методы преобразования их в полусферические головки для расчета. В этом разделе сравниваются преимущества и ограничения этих методов.

Для интуитивно понятного сравнения стандартов в этой статье рассчитываются давления потери устойчивости для различных сферических/эллипсоидальных головок с использованием разных стандартов, сравнивая результаты с эквивалентными полусферическими головками.

Отдельные инженерные примеры демонстрируют расчеты толщины головок с использованием различных стандартов, поясняя применимость каждого стандарта и компромиссы.

Этот всесторонний обзор и сравнительный анализ правил проектирования выпуклой головки под внешним давлением предоставляет инженерные ссылки и рекомендации для исследований. Будущие направления включают в себя:

• Разработка точных моделей прогнозирования потери устойчивости:Использование улучшенных вычислительных и экспериментальных методов для уменьшения зависимости от эмпирических KDF.
• Изучение поведения новых материалов при потере устойчивости:Исследование характеристик новых материалов под внешним давлением для инженерных применений.
• Оптимизация методов проектирования:Адаптация подходов к конкретным приложениям, баланс между безопасностью и экономической эффективностью.