基于api579—1／asmeffs-1的爆炸容器fad評定方法

1、基于 A P I5 7 9—1 ／ A S M EF F S 一1 的 爆炸容器 F A D評定方法 徐 平 ， 王立科 ， 馬 利 ， 辛 健 (1 ． 浙江大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)研究所 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 ； 2 ． 浙江大學(xué) 化工機械研究所 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 )摘 要： 提出了爆炸容器 F A D全過程評定方法， 建立 了含穿透裂紋的圓柱形爆炸容器計算模 型， 分 析 了其在三角波載荷作用下

2、的動力響應(yīng)， 利用虛裂紋 閉合技術(shù)計算 了應(yīng)力強度 因子 的動力響應(yīng)特 性， 結(jié)果表明： 爆炸容器的 F A D評定方法可 以有效 區(qū)分沖量相 同而峰值不 同的沖擊載荷 的影響， 峰 值越大， 載荷作用時間越短， 容器評定結(jié)果越危險； 采用傳 統(tǒng)等效靜載荷法進行工程設(shè)計 ， 具有較大的安全裕度； 同時發(fā)現(xiàn)， F A D評定能有效地識別尺寸效應(yīng)的后果 ， 因此該方法對動載荷下的容器評 定尤為有效。關(guān)鍵詞： 爆 炸容 器 ； A P I 標

3、 準 ； F A D評 定 中圖分類號 ： T H 4 9 ； T一 6 5 1文獻標 識碼 ： B文章編號 ： 1 0 0 1 — 4 8 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 2 一 o o 6 1 — 0 6d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 — 4 8 3 7 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 11F AD M e t h o df o rEx p l o s i o

4、 nCo n t a i n m e n tVe s s e l sBa s e do nAPI5 7 9—1 ／ AS M E F F S 一1X UP i n g， W AN G L i —k e， MAL i， X I NJ i a n( 1 ． I n s t i t u t eo fA p p l i e dM e c h a n i c s ， Z h e j i a n gU n i v e r s i t y ， H

5、 a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ， C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t eo fC h e m i —c a lMa c h i n e r y ， Z h e j i a n gU n i v e r s i t y ， H a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ， C h i n a )Ab s t r a c t ： Ad y n a m i c a lf a i l u

6、 r ea s s e s s m e n to fe x p l o s i o nc o n t a i n m e n tv e s s e l( E C V)u s i n gF A Dm e t h o di sc o n d u c t e d ． T h en u m e r i c a la n a l y s i so fac y l i n d r i c a lv e s s e lw i t ht h r o u

7、 g hc r a c ks u b j e c t e dt oi m p u l s i v el o a d —i n gw a sp e r f o r me d ．Us i n gv i r t u a lc r a c kc l o s u r et e c h n o l o g y ，t h ed y n a mi c a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o r swe r eo

8、 b -t a i n e d ．T h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e dd y n a mi c a l F ADme t h o di sv a l i dt oe v a l u a t et h ee f f e c to fi m-p a c tl o a dw i t ht h es a mei mp u l s ea n dd i f f e

9、 r e n tp e a kv a lu e ， wh e r et h el o a dw i t hl a r g e rp e a kv a lu ea n ds h o r —t e rd u r i n gt i mec a u s e smo r es e v e r ed a ma g e ．T h es a f e t yma r g i no ft h et r a d i t i o n a lme t h o d

10、t r a n s f e r r i n gi m—p u l s i v el o a d i n gt os t a t i cl o a di sl a r g e rt h a nt h a to fd y n a mi cl o a d i n g ．Al s o，F(xiàn) ADme t h o dc a ne f ic i e n t l yr e -f l e e td i me n s i o n a le f f e c

11、t ，t h u si ti sp a r t i c u l a r l yf e a tf o rt h ea s s e s s me n to fv e s s e l su n d e rd y n a mi cl o a d s ．Ke ywo r d s ： e x p l o s i o nc o n t a i n me n tv e s s e l ； A P Is t a n d a r d； F AD e V

12、a l u a t i o n基金項 目： 國家 自 然科學(xué)基金項 目( 5 1 0 0 5 2 0 1 ， 5 0 8 7 5 2 3 6 )第 2 9 卷第 2 期 壓 力容 器 總第 2 3 1 期 A P I 的斷裂力學(xué) 評定 包括 3個 級別 ， 其 中，L e v e l1 級別的評定只局限于承壓圓筒 、 球殼或者 平板等遠離結(jié)構(gòu)不連續(xù) 區(qū)域的裂紋狀缺陷 ， L ev e l1 評定主要根據(jù)載荷情況 、 溫度 、 設(shè)

13、計條件 、 裂紋 形式與尺寸等 ， 直接參照 A P I 標準確定可接受的 最大裂紋尺寸 ， 其過程不涉及含裂紋結(jié)構(gòu) 的有限 元分析 ， 評價結(jié)果較為保守 。L e v e l2 評定可適用 于一般殼體結(jié)構(gòu) 上不連續(xù)區(qū)域處 的裂紋 ， 通過有 限元分析確定含缺陷區(qū)域在給定載荷下的應(yīng)力分 布 ， 以及裂紋尖端的應(yīng)力強度因子 ， 結(jié)合材料屈服 強度和斷裂 韌性 ， 最終 確定 一對 (， s ， ) ， 根 據(jù) (， S ， ) 點落在 F

14、 A D評定 曲線 的內(nèi)外側(cè) ， 判定結(jié) 構(gòu)是否安全 。應(yīng)用該方法的前提條件之一是在載 荷作用下裂紋沒有擴展。而當 L e v e l1和 L e v e l2評定不能通過 時， 還可 以采 用 L e v e l3級別 的評 定 ， 該評定針對可能發(fā)生的裂紋亞臨界擴展 ， 允許 有限的裂紋擴展量 ， 但該評定方法一般僅適用于 韌性材料 ， 如奧氏體不銹鋼。1 ． 2 爆炸容器基于 F A D的評定方法 在 A P IL e v e l

15、2級別評定 的基礎(chǔ) 上提出爆 炸 容器基于 F A D的評定方法 ， 該方法首先需要確定 結(jié)構(gòu)在 內(nèi)爆炸載荷作用下的動力 響應(yīng) ， 尤其是裂 紋附近區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)力強度因子響應(yīng)特性。具 體的評定方法流程見圖 2』 ， 其主要步驟包括 ：沖擊 載荷下 的F A D 評定 確定 材料屬 性參數(shù) 二二二[二二 對缺 陷 當量 處理 目 荷 和應(yīng) } ． _ 壟 力評定l計算 結(jié)構(gòu) 含裂紋 區(qū)域 的應(yīng) 力分布 二二]二計算 裂紋 尖

16、端 的 應(yīng)力 強度 因子 圖 2 爆炸容器基于 F A D的評 定方法 ( 1 ) 確定材料屬性參數(shù) ， 屈服強度 、 斷裂韌性 等 ， 考慮設(shè)計系數(shù)并給出許用值 ；( 2 ) 根據(jù)探傷結(jié)果 ， 將缺陷的幾何 形狀進行 理想化處理 ， 使其符合斷裂力學(xué)的計算要求；( 3 ) 計算沖擊 載荷 作用下 的結(jié)構(gòu)動力 響應(yīng) ：1 ) 計算結(jié)構(gòu)含裂紋區(qū)域的應(yīng)力分布 ； 2 ) 計算裂紋 尖端 的應(yīng)力強度 因子 ： 可采用 ． ， 積分或虛裂紋閉

17、合技術(shù)計算裂紋尖端的能量釋放率， 并根據(jù)平面 應(yīng)力或平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)換成應(yīng)力強度因子；( 4 ) 計算( K ， S ， ) ： 在動載荷作用下 ，， | s ， 是 隨時間變化的， 因此 (，) 是隨時間變化的一組 坐標值 ；( 5 ) 結(jié)合 F A D圖， 判斷結(jié)構(gòu)安全性。2 算例分析 2 ． 1 計 算模 型 根據(jù)文獻 [ 5 ] 中單層 金屬爆 炸容 器結(jié)構(gòu) 尺 寸 ， 建立了含穿透裂紋的圓柱形爆炸容器計算模 型 ， 見圖 3 。

18、筒體長 L為 1 0 0 0m m， 內(nèi)徑 D為 3 0 0m m， 壁厚 為 4 ． 5m m， 橢圓裂紋沿軸向的半軸長 口為 1 5m m， 沿環(huán)向的半軸長 b 為 2m m， 容器采用 4 5 號鋼 ， 密度P為 7 8 3 0k g ／ m， 彈性模量 E為 2 1 0G P a ， 斷裂韌性臨界值 K為 6 3M P am。圖 3 含裂紋 的爆炸容器計算模型 根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)原理 ， 此處采用 虛裂紋 閉合技術(shù)計算裂紋尖端

19、的應(yīng)變能釋放率 G ， 按 照 平面應(yīng)力狀態(tài)計算應(yīng)力強度因子 。裂紋尖端 網(wǎng)格 圖如圖 4 所示。根據(jù)虛裂紋閉合技術(shù)原理 ， 由計算結(jié)果提取 裂紋 尖 端 節(jié) 點 N 3 6 8 9的節(jié) 點 力 F， 以及 節(jié) 點 N 3 7 0 0和 N 6 8 9 5的位移 差值 即為虛裂紋 閉合 量 D， 從而應(yīng)變能釋放率可采用下式計算得到 ：· 6 3 ·『 是一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一