不锈钢内压直管棘轮效应模拟研究.pdf

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1、第44卷第2期化工机械201不锈钢内压直管棘轮效应模拟研究曲伟强陈旭(天津大学化工学院)摘要采用有限元软件ANSYS对Z2CNl8．10不锈钢直管棘轮效应进行模拟研究。将OW．II塑性本构模型和CJK模型以子程序的方式嵌入ANSYS软件中并结合软件自带的Chaboche模型进行棘轮效应模拟。通过模拟结果与试验结果的对比发现：多轴系数的引入使CJK模型对多轴棘轮效应的模拟效果最为理想。通过模拟还发现拉伸轴向栽荷可以降低直管环向的棘轮效应。关键词不锈钢直管内压棘轮效应本构模型中图分类号TQ055．8+1文献标识码A文章编号0254-6094(2017)0

2、2-0201-07管道安全性对于核电站的正常运行起着重要的作用。但管道在使用过程中由于热循环和外界条件的影响会产生包括弯曲载荷和轴向载荷在内的复杂载荷条件，加上内压的作用，管道很容易产生塑性应变的累积，也就是棘轮效应。近年来，管道棘轮效应逐渐成为研究热点，李国成等采用有限元软件研究了在热载荷和机械载荷共同作用下焦炭塔的棘轮效应，将有限元法与常用的安定性分析法进行比较，说明有限元法更加简单可靠¨。。万先平等利用有限元软件研究了椭圆管尺寸结构对应力分布和极限载荷的影响，从国内已发表的文献来看，我国对于管道和棘轮效应方面的研究相对较少，对于塑性本构模型的研

3、究更加有限旧o。ChenXH等总结了近年来国外关于管道方面的棘轮效应的试验和模拟研究，并且说明了模拟研究的发展主要体现在塑性本构模型的修正。3。。VishnuvardhanS等通过试验研究了内压直管和弯管从棘轮变形到破裂失效的全过程”。。HassanT等通过对AF、Chaboche等本构模型的研究促进了棘轮效应模拟研究的发展¨’61。Ha—midinejadSM和Varvani-FarahaniA采用几种不同随动强化模型，分析了轴向载荷和扭转载荷共同作用下不同载荷路径对棘轮变形的影响"-。国内外学者对内压直管模拟研究存在的主要问题是载荷条件相对偏少，

4、对本构模型在不同载荷条件棘轮效应的模拟能力研究不够充分。因而笔者研究了多种载荷和位移控制条件下CJK模型对直管的模拟结果，并且考虑了载荷的历史效应，最后采用CJK模型研究了轴向和弯曲载荷共同作用下内压直管的棘轮效应．s·。1管道结构参数和试验方法试验过程采用了准三点弯的试验装置，如图1所示。直管通过夹板、销钉等简支在下横梁上，下横梁上的加载块与试验机夹头相连；上横梁通过夹板和销钉与直管相连，上横梁的加载杆与试验机上夹头相连。试验机通过上下加载杆来实现循环载荷的施加。上方施加拉压对称弯曲载荷，而下方由两点支撑，内压保持恒定。直管试样采用Z2CNl8．1

5、0不锈钢材料，材料屈服强度为315MPa，拉伸极限为560MPa。试验长度为1000mm，管道外径76mm，厚度4．5mm。笔者所用试验数据为文献[9]中的不锈钢直管试验结果。基金项目：国家自然科学基金项目(51435012)。作者简介：曲伟强(1991一)，硕士研究生，从事压力管道的设计工作。联系人：陈旭(1962-)，教授，从事压力容器管道的设计工作，xchen@tju．edu．cn。202化工机械2017经支图1直管结构图2有限元模型笔者模拟过程采用了ANSYS中的Solid43壳单元，建立四分之一有限元模型，在模型对称面施加对称边界条件，端面

6、中点设置Y向位移约束。内表面施加恒定内压条件，载荷条件通过对夹板对应位置的节点施加载荷条件约束来完成，有限元模型如图2所示，中间段应变较大为研究重点，因而中间短网格较为密集来提高计算精度。图2直管有限元模型3循环塑性本构模型及其参数的确定3．1Chaboche模型参数的确定1986年，ChabocheJL提出了叠加非线性随动硬化模型¨引，该模型可表达为：a=∑d；(1)'dotf=÷c。de，一yfaidp，(i=1，2，3)(2)式中d——背应力张量；d8。——塑性应变增量。Chaboche模型参数由单拉曲线确定，材料参数oro=100MPa，E=

7、195GPa，Ⅳ=0．3。模型参数C。(i=1，2，3)分别为593120、25020、1283，7i(i=1，2，3)分别为7415、278、4．5。Chaboche模型对于单轴拉伸的预测结果如图3所示。图3Chaboche模型单轴拉伸预测结果3．2OW—II模型和参数的确定OhnoN和WangJD提出的OW．1I模型的表达式为[111：Ot=∑ai(3)⋯咄=yf【÷叫占，一(詈)⋯<峨·詈>a。】c4，其中，m。为强化率指数，改变该值可对单轴棘轮进行控制。OW—II模型的r值和y值由单拉曲线确定，r；(i=1，2，⋯，6)分别为63、26、12

8、、23、12、103，y；(i=1，2，⋯，6)分别为2022、547、289、132、28、第44卷第2期