[發明專利]一種焦炭塔承壓外殼安定極限設計方法

在審

• 申請號: 201510901455.5
• 申請日: 2015-12-08
• 公開（公告）號: CN105512396A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: 鄭小濤;彭紅宇;程陽;喻九陽;林緯;徐建民;王成剛
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮;楊曉燕

1.一種焦炭塔承壓外殼安定極限設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)假設承壓焦炭塔承壓外殼的材料為理想彈塑性小應變材料，在承載過程中遵從 Von-Mises屈服準則，實際工程中，焦炭塔承壓外殼承受穩定內壓p_i、重力引起的軸向壓力p_c和循環線性熱梯度載荷ΔT的組合載荷；

(2)若循環熱應力沿承壓外殼的厚度方向保持彈性，環向熱應力和軸向熱應力表示為：

σthθ(r)=σthz(r)=|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|Ri≤r≤RoΔσth=EαΔT/2(1-v)---(1)]]>

式中，Δσ_th為熱應力振幅張量，E、α和v分別為彈性模量、熱膨脹系數和泊松比，r是焦炭 塔塔壁半徑，R_o和R_i分別是焦炭塔承壓外殼外徑與內徑，上標θ和z代表環向和軸向；

隨著線性熱梯度載荷的增大，焦炭塔承壓外殼的內、外表面首先出現屈服，且屈服區域 隨線性熱梯度載荷的增加而增大，當發生屈服時，焦炭塔承壓外殼的熱應力分布如下：

σthθ(r)=σthz(r)=|σsrep(r-Ri+Ro2)|Ri+Ro2-rep<r<Ri+Ro2+repσthθ(r)=σthz(r)=σsRi≤r≤Ri+Ro2-repRi+Ro2+rep≤r≤Ro---(2)]]>

式中，σ_s為屈服應力，r_ep為焦炭塔承壓外殼上屈服層厚度；

根據Von-Mises屈服準則，當線性熱梯度載荷沿承壓外殼的厚度方向保持彈性時，相應 的等效熱應力為：

(σth(r))eq=|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|---(3)]]>

當焦炭塔承壓外殼的外纖維發生屈服時，相應的等效熱應力為：

(σth(r))eq=|σsrep(r-Ri+Ro2)|---(4)]]>

在穩定內壓p_i和重力引起的軸向壓力p_c下，焦炭塔承壓外殼的環向應力和軸向應力 為

σmθ=pi(Ro+Ri)2(Ro-Ri)σmz=pi(Ro+Ri)4(Ro-Ri)+pc---(5)]]>

在這種情況下的Von-Mises等效應力(σ_m)_eq為：

σmeq=34σmθ2+pc2=3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2---(6)]]>

同樣，當循環線性熱梯度載荷保持在彈性范圍內，根據熱應力產生的剩余強度，建立恒 定機械載荷下的極限載荷平衡方程，則有

∫RiRo2π3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2rdr=∫RiRo2π[σs-|Δσth(2r-Ro-Ri)2(Ro-Ri)|]rdr---(7)]]>

此時即循環線性熱梯度載荷保持在彈性范圍內的安定極限為：

σ‾mθ=3(k-1)(k+1)ln k23+4m2[1-Δσ‾th4]---(8)]]>

式中，為穩定內壓p_i與極限壓力p_L的比值，且m為重力 引起的軸向壓力p_c與環向應力的比值，為熱應力振幅張量Δσ_th與屈服 應力σ_s的比值，k為焦炭塔承壓外殼外徑與內徑的比值，k＝R_o/R_i；

當焦炭塔承壓外殼的外纖維發生屈服時，根據熱應力產生的剩余強度，建立恒定機械 載荷下的極限載荷平衡方程，則有

∫RiRo2π3pi2(Ro+Ri)216(Ro-Ri)2+pc2rdr=2π∫Ri+Ro2-repRi+Ro2+rep(σs-|σsrep(r-Ri+Ro2)|)×rdr---(9)]]>

此時即焦炭塔承壓外殼的外纖維發生屈服時的安定極限為：

σ‾mθ=3(k-1)(k+1)ln k23+4m2Δσ‾th---(10)]]>

同理，無量綱參數定義為k＝R_o/R_i；

由式(8)和式(10)得到不同重力引起的軸向壓力下焦炭塔承壓外殼的安定極限；

(3)為便于進行焦炭塔承壓外殼不同高度部位的安定極限設計，這里定義量綱一機械 載荷和量綱一熱載荷分別為mp=σθp/σs,mz=σzp/σs,mt=σT/σs,]]>其中為穩定 載荷引起的焦炭塔承壓外殼的總環向應力和總軸向應力，σ^T為虛擬最大熱應力絕對值，q為 總環向應力和總軸向應力的比值，且滿足關系m_z/m_p＝q，那么，式(8)和式(10)變化為：

mt=4[1-mp(q-0.5)2+0.75]1/(2(q-0.5)2+0.75)≤mp≤1/(q-0.5)2+0.75---(11)]]>

mt=1/(mp(q-0.5)2+0.75)0≤mp≤1/(2(q-0.5)2+0.75)---(12)]]>

經典的BREE解為：

m_t＝4[1-m_p]0.5≤m_p≤1.0(13)

m_t＝1/(m_p)0.0≤m_p≤0.5(14)

當不考慮重力引起的軸向應力時，q＝0，式(11)、(12)分別化簡為式(13)、(14)，與經 典的BREE解一致。