回转体结构强度及断裂力学的有限元分析硕士学位论文.doc

回转体结构强度及断裂力学的有限元分析
硕士学位论文
第1章绪论
研究背景及意义
回转体是一种特殊极具破坏性的容器,回转体工作时,在载荷作用下,将在材料内部产生应力和变形,因此可能会发生较大的弹性变形,塑性变形等,如果结构强度不够,甚至会出现断裂等现象,从而造成不可预知的事故,所以保证回转体的工作安全十分重要。回转体属于一次性使用物体,其强度储备量过大不仅没有意义,还会影响或妨碍其他条件的实现,所以在保证安全性及膛内运动的正确性的前提下,应该尽量减薄回转体壁厚,增加回转体有效地内腔容积。所以,分析回转体在工作时的应力变形,对其强度的分析则属于回转体设计的一个关键部分。回转体筒体与底座部分是通过螺纹连接的,所以螺纹连接是否可靠,很大程度上影响了回转体是否能够安全稳定的工作,所以回转体螺纹的连接强度对回转体整体强度有着重要的影响。
回转体在工作状态下,受到各种载荷的综合作用。有效的强度条件不仅能够保证其在膛筒内运动的正确性,而且有助于其他技术条件的完满实现。而导环区域的强度,直接影响着膛内运动的正确与否,导环密闭气体压力的性能导环本身强度等因素,可以认为导环区域的强度就代表了整个回转体强度。所以,导环区域的强度更是回转体的设计人员所关心的问题。回转体在膛筒内旋转运动过程受力复杂,无法准确估算出回转体运动的加速度,另外导环是在很短的过程产生很大的变形,所以整个过程计算较复杂。
回转体内压试验时,承受30Mpa内压,结果回转体在筒体底部出现断裂,而在实际回转体的工作过程中,这样事故的发生会给人民的生命和财产带来了重大的损失,这是回转体工作中所不能允许出现的。由于起裂的原因难以量化确定,则裂纹发生起裂后,其是在断裂前终止,或是继续扩展,这就对结构的安全尤为重
要。
国内外研究现状
国内外螺纹强度研究现状
螺纹联接一直被视作是最基本的紧固件,从而被广泛的应用于机械结构连接或是和工程结构连接。很多螺栓接头破坏的主要原因是螺纹根部存在着严重的应力集中。研究螺纹牙上的载荷分布规律,为进一步研究螺纹应力集中,裂纹的产生及扩展,甚至是最终的破坏现象,提供了最基本的研究基础。
国内外许多学者通过试验研究了螺纹连接的接触问题,提出了很多简化模型和公式,更有很多学者通过使用不同的假定和单元,对螺纹连接中的接触问题进行了有限元分析。文献[1]中陶世军等研究的钻铤螺纹破坏的主要原因是钻铤所受的交变载荷大,产生了较大的应力集中。该文献用有限元软件建立了钻铤螺纹连接的有限元分析模型,对钻铤螺纹接触处进行应力分析。分析表明,钻铤螺纹第一个螺纹处所受应力最大,失效部位主要集中在前三个螺纹处。文献[2]中张卫东等通过对滚压直螺纹连接技术的强度和连接最小螺纹扣数进行了试验研究和有限元分析,给出了较为合适的最小螺纹旋和长度和螺纹扣数,并据此提出了三种螺纹结构改进优化方案。文献[3]运用有限元分析了特种螺栓的强度,但忽略了螺纹结构,将螺栓和螺母都作为光杆处理。文献[4-8]分别对钢拉杆螺纹连接、水下套管悬挂器螺纹连接、热采井管套螺纹连接及圆螺纹套管接头的强度及应力进行了有限元建模和计算,为加强整体结构强度的研究提供了理论依据。文献[4-8]虽然考虑了实际中的螺纹,但都把螺纹连接部分简化为轴对称问题进行处理。文献[9-10]对滑动螺旋副螺纹牙根应力、柴油机高强度缸盖螺栓螺纹联接的应力应变状态进行了有限元计算分析,建立了三维螺纹模型,却没有考虑螺纹升角对其强度的影响。文献[11]采用三维有限元数值模拟方法,计算分析普通三角形螺纹螺栓—螺母副在轴向力作用下的内力、应力和变形规律。文献[12]对唐氏螺纹和普通螺纹的联接结构进行有限元模拟分析,研究了不同轴向力作用时唐氏螺纹和普通双螺母螺纹牙的应力情况。文献[13]采用有限元方法分析了螺栓螺母结构的螺纹连接在随机振动下的动态响应。文献[14]中Matthew研究了螺栓连接在简谐波负载下的简化模型,对在简谐荷载作用下螺栓连接的动态摩擦接触进行了有限元分析。Kenny和Patterson[15]用冻应力光弹性法并借助显微光密度计测得了公制螺纹的螺栓、螺母的载荷分布。发现通过测量螺母变形来计算载荷分布的方法不是很令人满意。
但基于三维模型对螺纹螺栓结构的有限元研究还不多[12],而对大型复杂容器连接螺纹强度的有限元分析尚未见到。
国内外子模型方法研究现状
通过对整体模型切割得到子模型,将整体模型在切割边界的计算位移值作为子模型的切割边界条件,切割边界要远离应力集中、变形较大的部分,子模型区域也不能太小,这样才能保证计算的准确度[16]。文献[17]以国内润扬大桥南汊悬索桥为研究对象,对大桥整体结构进行了非线性有限元分析,运用子模型法计算了该桥各关键零部件的应力。然后与实际数据