5000m^3立式拱顶储罐应力分析与弱顶性能评价

根据国内外相关设计标准与规范,石油天然气等易燃易爆气体的储罐必须设计成弱顶结构,以最大限度地降低因内部超压而发生事故的危害程度。为了得到合适的弱顶结构设计方法,以常见的5 000 m^3立式拱顶储罐为对象展开分析。首先,根据GB 50341-2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》,对储罐结构参数进行设计并对其弱顶性能进行初步评价;然后,利用有限元分析方法对储罐结构进行分析,获得储罐在空罐、半罐、满罐工况下的提离高度、提离半径、最大等效应力和薄膜应力等关键参数,并在此基础上对储罐强度、稳定性、破坏形式和弱顶性能进行综合评价;最后,分析了顶壁连接焊角高度、罐顶曲率半径、边缘板厚度和罐体高径比等关键参数对储罐弱顶性能的影响。结果表明:基于GB 50341-2014设计的5 000 m^3立式拱顶储罐并不具备弱顶性能,顶壁连接焊角高度减小到3.75 mm,或罐顶曲率半径增大到3.0D(D为储罐直径),或边缘板厚度增大到15 mm,或罐体高径比增大到2.0都能使该储罐满足弱顶结构的设计要求。研究结果可为储罐弱顶结构的改进提供参考。     

蒸气云爆炸作用下钢储罐动力响应的双向流固耦合分析

对于钢储罐内部发生的蒸气云爆炸,储罐结构在爆炸流场的作用下会产生运动与变形,这些运动变形又会反过来作用于内部爆炸流场,因此求解钢储罐在内爆作用下的结构动力响应实际上是一个复杂的双向流固耦合问题。利用弱耦合方法,基于ANSYS Workbench仿真平台建立了能够有效模拟内部爆炸流场与钢储罐结构相互作用的双向流固耦合模型,获得了钢储罐的结构动力响应。同时,进行了解耦计算,并将解耦与耦合两种方法进行了对比分析。研究表明:在内部蒸气云爆炸作用下,钢储罐结构最大塑性应变一般出现在顶盖与罐壁的环向连接处,该区域会因塑性应变最先超过失效应变而发生破坏;耦合分析所得钢储罐结构变形情况和与失效破坏模式与解耦分析所得结果大致相同,解耦分析可以较为方便地进行内爆作用下的钢储罐结构动力响应与薄弱危险区域的初步预测。     

基于流固耦合的立式拱顶储罐油气爆炸数值模拟

针对1 000 m~3立式拱顶储罐内部油气爆炸进行了数值模拟,并对625 L模拟储罐进行了模型实验验证,对耦合条件以及非耦合条件下储罐内部爆炸流场发展,不同测点超压变化进行了对比分析,同时对耦合条件下储罐结构响应进行了研究。结果表明:(1)非耦合条件与耦合条件下流场发展以及超压变化趋势基本相同,但耦合条件下储罐内部完全燃烧时间比非耦合条件下慢60 ms,超压荷载峰值比非耦合条件下小10%左右。(2)爆炸时,储罐顶部变形最大,最大应力区域出现在顶-壁,底-壁连接处,考虑到实际工程情况,设计时应遵循"弱顶盖连接设计"原则。     

粗苯储罐蒸气云爆炸后果定量分析

储罐区防火间距的设计通常依据相关标准规范,本文以山西某化工厂粗苯储罐燃爆事故为例,提出一种更加实用的储罐区防火间距设计方法.粗苯液体沸点低,易挥发,在储罐内液面上方易形成气相空间,遇点火源易引起蒸气云爆炸.基于文献中储罐液位在半罐以上,可保证在任意起爆点位置罐顶均先于罐底发生破裂的结论,建立储罐液位在半罐以上致使罐顶破裂的蒸气云爆炸模型.基于一定的假设,采用TNT当量法,对不同液位状态下5 000m3粗苯储罐发生蒸气云爆炸的后果定量分析,计算蒸气云爆炸的各级损害半径的极值.结果表明:随着储罐内液位的升高,其实际发生蒸气云爆炸的各级损害半径越小,但其理论发生蒸气云爆炸的各级损害半径越大.对于任一液位状态下的储罐蒸气云爆炸情况,其各级损害半径的相对大小为:轻伤区半径R3>财产损失半径R4>重伤区半径R2>死亡区半径R1.     

含预制孔容器内爆问题的FEM-SPH耦合算法模拟

考虑带预制孔容器内空气的影响,采用三维FEM-SPH自适应耦合算法程序对含预制孔容器在内爆载荷作用下的动态响应过程进行了模拟,与实验所得到的破坏特征参量吻合。同时也用LS-DYNA软件中ALE算法得到的计算结果与FEM-SPH自适应耦合算法得到的结果进行比较,进一步分析了FEM-SPH自适应耦合算法的有效性。FEM-SPH自适应耦合算法能够稳定再现内爆载荷作用下含预制孔容器的爆炸鼓包过程、预制孔毁伤破坏过程以及容器内空气运动过程,可以为容器内爆问题的数值模拟研究提供有效途径。     

2D-C/ SiC 复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。      

动荷载作用下预测玻璃板破坏强度和破坏时间的一种改进模型——Ⅰ.理论

基于已有的玻璃破坏模型,首先运用蒙特卡洛法模拟裂纹的随机性,然后应用有限元软件计算玻璃板的应力,并综合考虑裂纹的动态扩展以及不同材料玻璃板的表面预压力,最后根据裂纹长度和裂纹破坏应力之间的迭代关系式,建立了一种修正的单层玻璃板动态裂纹破坏模型。由此改进模型通过循环计算,可计算出大量玻璃试件的破坏应力和破坏时间,从而得到玻璃板破坏应力和破坏时间的累计概率分布。模型验证对比表明,该改进模型可较好地用于动荷载作用下玻璃板的破坏分析预测,且不受玻璃板形状和边界条件的限制。     

基于可靠性的裂纹齿轮点蚀寿命参数灵敏度评估

考虑含微裂纹齿轮在接触载荷作用下发生点蚀破坏的问题,将齿轮裂纹扩展模型与可靠性分析、可靠性灵敏度分析方法相接合,分析计算了齿轮点蚀破坏的随机参数可靠性灵敏度.首先建立了齿轮接触等效二维模型,在良好润滑条件下,初始裂纹出现在接触应力最大点处,基于赫兹接触理论利用有限元方法模拟了齿轮接触时裂纹的增长情况,并应用最小二乘法拟合裂纹长度与应力强度因子之间的函数关系,应用BCS短裂纹扩展速率模型建立了齿轮寿命模型.之后考虑齿轮参数及载荷参数的随机性,结合可靠性评估的降维-点估计方法及可靠性灵敏度分析理论,计算了可靠度对各随机参数的均值及方差的灵敏度,得到了随机参数对可靠度影响程度的排序,为防止含有微裂纹的齿轮点蚀破坏提供了理论依据.     

基于键基近场动力学理论的单裂纹圆孔板冲击破坏研究

基于键基近场动力学理论,建立分离式霍普金森杆冲击单裂纹圆孔板动力学模型,其中霍普金森杆用一维PD模型、单裂纹圆孔板用二维PD模型描述,采用短程斥力模型描述碰撞过程,模拟冲击压缩条件下单裂纹圆孔板动态破坏行为。通过试样端面受力分析得到端面载荷的V形分布规律,解决了传统实验-数值研究法在端面加载上的局限性。研究不同入射速度下试件裂纹的扩展过程和破坏模式,准确捕获了裂纹起裂、止裂及二次起裂时间。根据键基近场动力学理论下材料动态应力强度因子计算方法,求得裂纹的起裂韧度,为材料动态断裂韧度计算提供了新的途径。     

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的 揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法 采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果 在相同的?K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lg C呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论 应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。     

含环向表面裂纹充液圆柱壳的耦合振动特性分析EI北大核心CSCD

对含环向表面裂纹有限长充液圆柱壳的耦合振动特性进行了研究。在经典薄壳理论中引入基于断裂力学的线弹簧模型来模拟环向表面裂纹;根据理想流体在柱坐标系下的Helmholtz波动方程,通过添加流体载荷项建立了圆柱壳的耦合振动控制方程,采用波传播法描述耦合系统的振动;经优化迭代法有效地计算对应特定固有频率的轴向波数,在此基础上迭代计算满足特定边界条件和裂纹位置连续性条件的固有频率值。为验证方法的准确性,将计算模型分别退化为真空中完善圆柱壳,真空中裂纹圆柱壳,充液完善圆柱壳,三种情况与文献及有限元方法结果进行对比,验证了方法的准确性;讨论了裂纹深度和裂纹位置参数对圆柱壳固有频率改变的影响。     

含环向表面裂纹充液圆柱壳的耦合振动特性分析

对含环向表面裂纹有限长充液圆柱壳的耦合振动特性进行了研究。在经典薄壳理论中引入基于断裂力学的线弹簧模型来模拟环向表面裂纹;根据理想流体在柱坐标系下的Helmholtz波动方程,通过添加流体载荷项建立了圆柱壳的耦合振动控制方程,采用波传播法描述耦合系统的振动;经优化迭代法有效地计算对应特定固有频率的轴向波数,在此基础上迭代计算满足特定边界条件和裂纹位置连续性条件的固有频率值。为验证方法的准确性,将计算模型分别退化为真空中完善圆柱壳,真空中裂纹圆柱壳,充液完善圆柱壳,三种情况与文献及有限元方法结果进行对比,验证了方法的准确性;讨论了裂纹深度和裂纹位置参数对圆柱壳固有频率改变的影响。     

基于热-力耦合模型的纤维丝束带铺放残余应力的模拟及实验研究

采用有限元分析计算和实验测试2种方法,在热-力耦合载荷作用下,对纤维丝束带铺放成型时的残余应力进行了研究。首先,建立纤维丝束带铺放的热-力耦合模型,利用有限元分析研究了不同温度和压力参数条件下纤维丝束带铺放残余应力的模拟结果。其次,对结果进行分析比较得到各个因素对纤维丝束带铺放残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对纤维丝束带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究,以验证热-力耦合有限元模型计算结果的正确性。结果表明:2种方法得到的残余应力分布基本一致,只是残余应力的最大值之间存在着差别。      

复合材料胶接修补件力学性能的实验研究与数值模拟

进行复合材料修补的铝合金板的静强度实验,测定载荷-位移曲线,分析破坏机理,并讨论了胶层材料性能、复合材料补片性能与厚度等因素对修补件静强度的影响;建立了修补件的三维有限元模型,模拟修补件的载荷-位移曲线和应力分布,验证了模型的有效性;根据应力分布计算结果和失效准则,预测初始损伤及裂纹产生的位置,并估算破坏强度,预测结果...     

可降解餐具碗压缩特性及有限元分析

在建立可降解餐具碗的力学模型基础上,对其进行了有限元分析。通过模型计算与试验相结合的方法,得出在压缩载荷作用下餐具的应力分布规律,为深入研究餐具的裂纹损伤打下基础。经模型计算与试验结果相比较,得出餐具的刚度与破坏强度,并且确定餐具最易出现裂纹的位置。     

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。     

薄壁板在随机声载荷作用下的振动响应谱估算

针对飞行器薄壁结构声疲劳问题，研究了具有多模态的薄壁板结构在声载荷作用下振动响应谱的估算方法。基于正交模态法，采用结合受纳函数描述结构模态和声场空间压力分布的耦合关系，建立动态响应计算模型。为与试验结果进行对比，选取具有固支边界的金属薄壁板作为研究对象，以试验测得的噪声载荷作输入，计算了该结构的振动响应谱，估算了均方应力，并将计算结果与试验数据进行比较和讨论。     

准脆性材料中椭圆形微裂纹的生长与演化

微裂纹的生长与演化是导致准脆性材料损伤及破坏的本质,本工作对承载过程中准脆性材料内部的椭圆形微裂纹的生长与演化规律进行研究。采用复势函数求解受远场载荷作用下代表性单元中椭圆形微裂纹的变形,讨论了椭圆形微裂纹初始取向的变化对微裂纹尺寸增长的影响,并结合微裂纹扩展准则推导出损伤开始时的临界应力条件。基于翼型裂纹扩展过程的能量守恒关系,建立了损伤阶段的本构关系。     

复合材料性能计算机辅助分析与设计的研究及实现

本文论述了复合材料性能的计算机辅助分析与设计软件系统的设计基础，根据复合材料层合板理论和破坏准则，该软件能够对在一定载荷下复合材料层合板进行应力应变分析，并能设计出满足一定条件的复合材料的层合板。     

地应力条件下爆破载荷破岩的DDA模拟研究

为探究地应力条件下的岩石爆破破岩特征与机理,基于非连续变形分析(DDA)方法建立岩石爆破力学模拟模型,分别考虑爆生气体压力和爆炸应力波的爆破载荷作用形式,对双向等值和不等值地应力条件下均质岩石的单孔爆破进行数值模拟,研究地应力对爆生气体压力和爆炸应力波破岩效果的影响。结果表明:对于均质岩石,在双向等值初始地应力条件下,爆破裂纹区近似为圆形,其面积随初始地应力的增大而减小,且双向等值初始地应力大小的变化对爆炸应力波的破岩作用影响更大;在双向不等值初始地应力条件下,爆破裂纹区呈扁平形,裂纹主要朝较大压应力方向扩展,且侧压系数的变化对爆生气体的破岩作用影响更大。研究结果对爆破工程实践具有一定的理论参考意义。