应变强化对压力容器安全裕度的影响效果初探

任丽萍

摘 要：本文通过试件拉伸试验和圆筒容器的有限元模拟方法，探究加载路径和预应变量两个元素对应变强化容器塑性的失稳压力的影响。结果显示：加载路径这一元素试件以及圆筒容器的极限承载能力具有较小的影响。对壁厚为1.02到1.10范围内的容器，壁厚对预变后容器的塑性失稳压力的影响甚小。同时考虑容器的塑性变形以及材料的强化效应的改变情况，大约4%到12%的试件和容器的最小安全裕度会有常规的4.76降低到2.21。本次研究得到的最小安全裕度和国外相关的标准一致，这说明应变强化后容器仍然具有相对较高的安全裕度。

关键词：压力容器 安全预度 应力强化

1.前言

对于压力容器而言，在设计的过程中不仅要考虑其安全性能，同时还要考虑它的经济可行性。应变强化技术作为一种新的技术，将其应用到压力容器的设计中，虽在一定程度上降低了容器材料的部分塑性，但是其也在一定程度上提高了材料的屈服强度。应用应变强化及时之后，压力容器的壁厚就会得到大大的降低，这不仅能够降低容器的重量，最重要的是能够有效的提高材料的利用效率，提高压力容器设计的经济可行性。但是经过这个过程后，容器的整体外形就会发生明显的塑性变形，关键是在应变后的容器设计环节中，设计的尺寸等数据因素却和应变前的数据一致，忽略了这些工作环节对材料安全预度的影响，给压力容器的工作环节中埋下了巨大的安全隐患。

2.应变强化路径对压力容器塑性失稳性的影响

2.1不同情况的加载路径试件的预拉伸试验以及结果的数据分析

本次试验选取的试验对象是四个完全相同的06Gr19Ni0奥式体不锈钢材料，并且对其分别标号为去a、b、c、d，然后对试验材料的矩形截面试件分别进行各应路径的预拉伸试验，a材料试件进行拉伸程度为断裂，b、c、d材料分别采用不同的拉伸力对其拉伸，使得材料试件发生部分塑性变形、卸载恢复、再拉伸直至材料断列裂，通过实验后比较各试件在不同预应变下的拉伸承载能力，实验结果如下所示：

通过实验数据分析可得，在不同加载路径下的情况下，也就是不同程度的应变强化情况下，这些材料的极限承载能力的变化程度是不大的，说明不同加载路径虽然能够使得材料的失稳点发生变化，但是对材料的极限承载能力的影响是微乎其微的。

2.2有限元模拟试验分析

本次试验选用的试验方法是有限元模拟试验方法，并且设定两种加载方式，第一种为一次性加载材料使材料的塑性失稳，第二种是分两次加载，第一次加载时使材料达到塑性变形的目的，卸载后对材料进行第二次加载，直接使材料的塑性失稳。在模拟的过程中，压力容器模型选择为?350mm×8mm×180000mm的圆筒容器，并且通过查表可知厚度为8mm的6Crl9Nil0板的实测真应力变曲线。在试验过程以及数据分析过程中，有限元数值模拟选用的是Plane82二维八点节点实体单元，并且要通过几何大变形效应，同时压力容器模型要采取多线性等向强化MISO模型，计算方法采用弧长法对其数据进行分析解析。在计算过程中，要对上述两种加载方式的材料模型的塑性失稳压力进行计算，在此要注意，在第二种加载方式的计算过程中要给容器施加0.10左右的6组预应变，计算结果如下：

从实验数据的分析中可以看出，在上述两种加载方式的影响下，该压力容器模型的材料塑性失稳压力基本没有变化，而最大环向应变却随着预应变量的逐渐增大而减小等。

总体来说，通过这个实验可以得知，压力容器的极限承载能力是不会随着加载方式的变化而变化的，但是预应变强化容器的储备却会随着预应变量的增加而逐渐减小。

3.压力容器整体的塑性变形与压力容器材料失稳压力的联系

在本次试验中，压力容器试验模型的初始内径为400毫米，在试验数据的分析计算过程中压力容器的模型长度应当大于等于五倍的内径，也就是大于等于2000毫米。根据实际情况，在现实中的应变强化压力容器一般都是薄壁容器，所以在此可以合理的将容器的径比选择在1.10左右，根据实验要求则可以详细的取1.02、1.04、1.06、1.08、1.10五组数据。在有限模拟过程中，压力容器预应变后的尺寸应当按照一定的计算公式进行计算。

试验完成之后对数据进行计算分析发现，两种模型的有限元的计算结果基本相当，在取上述五组数据的径比情况下，塑性变形对压力容器材料的失稳压力有一定的影响，这种影响会随着压力容器的径比的增大而逐渐增大，和没有对其施加预应变的情况相比，压力容器的模型在0.04到0.12的预应变范围内塑性失稳压力的平均下降幅度最大为6.42%，是发生在预应变量为0.08的情况下，详细如下：

通过上述数据可知，虽然应变强化会使得压力容器的半径逐渐变大，壁厚逐渐减小，但是材料的塑性失稳压力的下降幅度却很小，这也说明材料的强化效应在一定程度上对容器的尺寸改变做到了一定的弥补。

4.结论

通过数据的分析可以总结出加载路径对试件和容器的极限承载能力的影响是比较小的；不同的预应变量能够使容器产生不同的塑性变形，过一段时间后在材料硬度的影响下容器的塑性变形会逐渐恢复，但是在这个过程中容器材料的塑性失稳载荷就会随之略减小；对于径比为1.0左右的薄壁容器来说，容器壁厚对应变强化后的容器塑性失稳压力的影响程度是很小的，如果在此对容器预应变后容器外形的改变和材料应力曲线改变的情况进行分析，在百分之四到百分之十二的预应变后的最小安全预度会明显下降，证明应变强化对压力容器的安全预度的影响效果是非常明显的。

参考文献

[1]江楠，陈国旋，李兆锋.应变强化对压力容器安全裕度的影响.华南理工大学学报（自然科学版）.2012年11期

[2]周连东，江楠 ASME应变强化本构模型及压力容器安全裕度分析.压力容器.2011年6期