Blog về Nghiên cứu tối ưu hóa Tiêu chuẩn Thiết kế Đầu Bể Chịu Áp Lồi

Trong các lĩnh vực công nghệ cao như thăm dò biển sâu, hàng không vũ trụ và công nghiệp hóa dầu, các bình chịu áp lực chịu áp lực bên ngoài đóng một vai trò quan trọng. Sự an toàn của các chỏm cầu—các bộ phận quan trọng của các bình này—trực tiếp quyết định sự ổn định của toàn bộ hệ thống. Một sai sót trong thiết kế gây ra hiện tượng cong vênh hoặc hỏng hóc ở chỏm của tàu ngầm biển sâu hoặc bình nhiên liệu tên lửa có thể dẫn đến những hậu quả thảm khốc. Do đó, việc nghiên cứu chuyên sâu và tối ưu hóa các phương pháp thiết kế chỏm cầu có tầm quan trọng thực tế đáng kể.

Khi chịu áp lực bên ngoài, chỏm cầu chủ yếu phải đối mặt với hai chế độ hỏng hóc: cong vênh và chảy. Các thiết kế kỹ thuật thường sử dụng các hệ số giảm tải (KDF) dựa trên kinh nghiệm để giảm áp suất cong vênh lý thuyết nhằm đảm bảo an toàn. Tuy nhiên, với những tiến bộ trong khoa học vật liệu và sản xuất, phương pháp bảo thủ này có thể dẫn đến lãng phí vật liệu và tăng chi phí. Do đó, việc dự đoán chính xác hành vi cong vênh và tối ưu hóa các phương pháp thiết kế đã trở thành những ưu tiên nghiên cứu.

Hệ số giảm tải (KDF) được định nghĩa là tỷ lệ giữa áp suất cong vênh thực nghiệm trong các chỏm thực tế và áp suất cong vênh lý thuyết trong các chỏm lý tưởng. Nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc xác định các giá trị KDF thông qua các thí nghiệm, nhưng kết quả cho thấy sự khác biệt đáng kể do khó kiểm soát chính xác các khuyết tật. Những tiến bộ sản xuất gần đây—đặc biệt là phương pháp khuôn cầu phủ polyme của Lee et al.—đã cho phép sản xuất các chỏm có khuyết tật được kiểm soát, mang đến những con đường mới để dự đoán KDF chính xác.

• Các loại khuyết tật và hiệu suất cong vênh: Các nhà nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm và mô phỏng số trên nhiều loại khuyết tật khác nhau. Yan et al. đã nghiên cứu cách các thông số hình học của các khuyết tật xuyên dày ảnh hưởng đến sự cong vênh, trong khi Abbasi et al. nhận thấy rằng các chỗ phình ra có tác động tối thiểu đến sự cong vênh của chỏm cầu. Derveni et al. đã kiểm tra các tương tác giữa các khuyết tật.
• Khuyết tật sản xuất thực tế: Các nghiên cứu khác đã phân tích các chỏm bán cầu có chứa các khuyết tật sản xuất thực tế, cung cấp hướng dẫn kỹ thuật. Wagner et al. đã đề xuất sử dụng các vết khía làm khuyết tật hình học tương đương để xác định áp suất cong vênh giới hạn dưới, đưa ra các vết lõm đơn lẻ thông qua chuyển vị được kiểm soát.

• Chỏm bán cầu: Là các chỏm cầu đơn giản nhất, các phương pháp thiết kế của chúng tương đối trưởng thành. Tuy nhiên, độ sâu lớn hơn của chúng hạn chế một số ứng dụng nhất định.
• Chỏm cầu: Mặc dù có ứng suất uốn cạnh đáng kể ở các vùng chuyển tiếp đỉnh, nhưng độ sâu nông hơn và sản xuất đơn giản hơn khiến chúng được sử dụng rộng rãi. Lu et al. đã nghiên cứu hành vi cong vênh đàn hồi-dẻo dưới áp lực bên ngoài thông qua phân tích phần tử hữu hạn, trong khi Blachut et al. đã điều tra sự ổn định trong các chỏm cầu kim loại nhiều lớp. Wang et al. đã phân tích trạng thái ứng suất và áp suất cong vênh trong các chỏm đáy máy nước nóng.
• Chỏm elipxoit: Các chuyển tiếp cong mượt mà hơn của chúng mang lại sự phân bố ứng suất đồng đều hơn. Với độ sâu trung bình giữa chỏm bán cầu và chỏm cầu, chúng dễ sản xuất hơn thông qua dập. Zingoni đã phát triển các lý thuyết để đánh giá sự phân bố ứng suất màng; Li đã đề xuất các phương pháp phân tích đơn giản hóa cho các bình chỏm elipxoit đối xứng trục; Ross đã nghiên cứu các chế độ cong vênh trong các chỏm elipxoit bằng nhựa gia cường sợi thủy tinh.

Mặc dù các phương pháp thiết kế mới nổi, các quy tắc cơ bản trong các tiêu chuẩn bình chịu áp lực vẫn là nền tảng kỹ thuật. Các cường quốc kinh tế toàn cầu đã thiết lập các tiêu chuẩn tương ứng để thiết kế chỏm cầu. Phân tích này tập trung vào sáu tiêu chuẩn chính:

• Trung Quốc: GB/T 150.3, GB/T 4732.3
• Hoa Kỳ: ASME VIII-1, ASME VIII-2, ASME Code Case 2286-6
• Liên minh Châu Âu: EN 13445-3

ASME VIII-1 sử dụng các phương pháp dựa trên biểu đồ để xác định áp suất bên ngoài cho phép. Các biểu đồ này—có nguồn gốc từ dữ liệu thực nghiệm và phân tích lý thuyết mở rộng—mang lại sự tiện lợi nhưng độ chính xác hạn chế. ASME VIII-2 (từ năm 2007) đã chuyển sang các phương pháp dựa trên công thức kết hợp các nguyên tắc của ASME Code Case N-284 và 2286-6, tính toán ứng suất màng nén chu vi cho phép. Phiên bản năm 2019 đã giới thiệu các phương trình tiêu chuẩn hóa dựa trên các mô hình đường cong ứng suất-biến dạng, mô phỏng chính xác phản ứng của vật liệu ở trạng thái như được sản xuất cho tất cả các vật liệu—thép carbon, thép hợp kim thấp, hợp kim cao và hợp kim phi kim loại—thay thế các phương pháp thép carbon/hợp kim thấp trước đây.

EN 13445-3 (các phiên bản 2002-2021) sử dụng các đường cong để xác định áp suất bên ngoài cho phép, áp dụng các đường cong giới hạn dưới có nguồn gốc từ các tiêu chuẩn PD5500 (người kế nhiệm của British BS5500).

GB/T 150.3 cũng sử dụng các phương pháp biểu đồ để thiết kế chỏm chịu áp lực bên ngoài, với một số biểu đồ dựa trên dữ liệu thực nghiệm của Trung Quốc và những biểu đồ khác tham chiếu Phần II của ASME, Phần D. GB/T 4732.3 sử dụng các phương pháp tương tự như ASME Code Case 2286-6, với Phụ lục C cung cấp các quy tắc tính toán mô đun tiếp tuyến bổ sung—bao gồm các phương trình từ ASME Code Case 2286-6 cho thép carbon/hợp kim thấp và các mô hình đường cong ứng suất-biến dạng từ ASME VIII-2.

Phần này trình bày chi tiết các so sánh về các quy tắc thiết kế chỏm bán cầu, chỏm cầu và chỏm elipxoit trên các tiêu chuẩn, tập trung vào sự khác biệt về các thông số chính (ví dụ: mô đun tiếp tuyến, hệ số thiết kế) và tác động của chúng.

Mô đun tiếp tuyến (độ dốc đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu ở các mức ứng suất cụ thể) ảnh hưởng quan trọng đến việc tính toán áp suất cong vênh, với các phương pháp tính toán khác nhau trên các tiêu chuẩn. Hệ số thiết kế (hệ số an toàn) cũng khác nhau, phản ánh các cân nhắc về an toàn khác nhau.

Với sự phức tạp trong thiết kế của chỏm cầu/elipxoit, một số tiêu chuẩn sử dụng các phương pháp tương đương chuyển đổi chúng thành chỏm bán cầu để tính toán. Phần này so sánh những ưu điểm và hạn chế của các phương pháp này.

Để so sánh tiêu chuẩn trực quan, bài viết này tính toán áp suất cong vênh cho các chỏm cầu/elipxoit khác nhau bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau, đối chiếu kết quả với các chỏm bán cầu tương đương.

Các trường hợp kỹ thuật được chọn minh họa các phép tính độ dày cho các chỏm bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau, làm rõ khả năng áp dụng và sự đánh đổi của từng tiêu chuẩn.

Đánh giá toàn diện và phân tích so sánh các quy tắc thiết kế chỏm cầu dưới áp lực bên ngoài này cung cấp các tài liệu tham khảo kỹ thuật và hướng dẫn nghiên cứu. Các định hướng tương lai bao gồm:

• Phát triển các mô hình dự đoán cong vênh chính xác: Tận dụng các kỹ thuật tính toán và thực nghiệm được cải thiện để giảm sự phụ thuộc vào KDF thực nghiệm.
• Nghiên cứu hành vi cong vênh của vật liệu mới: Điều tra hiệu suất của các vật liệu mới dưới áp lực bên ngoài cho các ứng dụng kỹ thuật.
• Tối ưu hóa các phương pháp thiết kế: Điều chỉnh các phương pháp cho các ứng dụng cụ thể, cân bằng an toàn với hiệu quả chi phí.