论文部分内容阅读
随着石油化工的发展，压力容器在工程中被广泛使用。在保证结构安全稳定的前提下，优化结构尺寸，减少容器壁厚以提高经济效益越来越受到人们的重视。薄壁容器由于其壁厚较薄，造价便宜，成本低廉，且结构轻便，易于运输及管理，在许多领域，包括家用产品（如热水器）等得到广泛应用。但由于薄壁容器壁厚较薄，其抗压能力及稳定性相对较弱，在使用过程中可能会出现强度和稳定性问题。因此，在薄壁容器的设计和制造过程中，在减小壁厚以控制成本的同时，研究薄壁容器的强度和稳定性问题无论在理论上还是在工程上都有重要意义。 本文以一种电热水器内胆为研究对象，基于失效模式的理念，采用试验研究和有限元分析相结合的方法，分析其结构在工作载荷下的响应，研究热水器薄壁内胆在静压作用下的强度和稳定性，分析容器几何尺寸对结构承载能力的影响。本文的主要工作和结论如下: 1.试验研究了热水器薄壁内胆的顶封头、筒体和下封头在静压作用下其应力和变形随压力的变化规律，分析了各个部位随压力变化时的力学响应。试验结果表明:当热水器薄壁内胆的顶部封头和筒体还处于弹性阶段或刚进入塑性阶段时，容器的下封头发生了破坏;热水器薄壁内胆的主要的失效模式为底部封头的屈曲变形，属于稳定性失效。这些结果能为热水器薄壁内胆的尺寸优化，以使该热水器内胆所有部分共同达到许用载荷研究提供了基础。 2.采用有限元方法并基于“两倍弹性斜率法”对热水器薄壁内胆的碟形封头与筒体连接结构进行极限载荷分析。计算结果表明:(1)该热水器薄壁内胆的顶部封头的主要失效模式为强度失效;(2)当载荷增大到2.38MPa时，薄壁容器碟形封头与筒体连接结构进入总体塑性流动状态;(3)在上封头壁厚为2.58 mm，筒体壁厚为1.35 mm时，该结构的极限载荷为2.38MPa，对应的许用载荷为1.59MPa。 3.采用有限元方法，通过特征值屈曲分析和非线性屈曲分析相结合的方式，研究了热水器薄壁内胆底部封头在静压作用下的稳定性。结果表明:(1)该薄壁容器的下封头的主要失效模式为稳定性失效;(2)结构的临界失稳载荷为2.49MPa，结构底封头由屈曲分析所计算得出的许用载荷为1.038MPa。 4.将有限元计算得到结构的临界失稳载荷与试验得到结构发生破坏的载荷进行比较，结果表明有限元计算得到结构的临界失稳载荷(2.49MPa)与试验得到结构发生破坏的载荷(2.4MPa)非常接近，证明了底部封头的稳定性失效为整体结构的主要失效模式，同时验证了有限元分析的正确性。 5.研究了热水器薄壁容器几何尺寸（容器的壁厚、封头的转角半径和筒体焊缝区平台宽度）对结构承载能力的影响，采用正交试验方法分析了顶封头、底封头和筒体三个部分的壁厚对结构承载能力的影响程度。结果表明:(1)封头转角半径对结构承载能力有一定的影响。对于项封头，转角半径越大，结构的承载能力越大;而对于底封头，转角半径对结构的影响不大，可以忽略;(2)筒体焊缝区平台宽度对结构承载能力的有一定影响，底封头的稳定性随着平台宽度的减小而增大;(3)封头壁厚是影响结构承载能力的主要因素，得到了在该薄壁容器设计载荷为1.034MPa时，其质量最少的最优壁厚，即薄壁容器顶封头的壁厚为2.24mm，筒体的壁厚为1.12 mm，底封头的壁厚为2.89 mm。