專利名稱：壓力容器疲勞壽命安全預測方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力容器的安全測試方法，特別是壓力容器疲勞壽命安全預測方法。
背景技術：
壓力容器是國民經濟建設中的關鍵設備，同時又是一種具有爆炸危險的特種承壓設備，它承受著高溫、低溫、易燃、易爆、劇毒或腐蝕介質的壓力，一旦發生破壞和泄漏將導致不可挽回的災難性事故。在壓力容器破壞事故中，有很大一部分是由于裂紋疲勞擴展引起的，因而能預先得知裂紋的擴展量，就能對壓力容器采取相應的措施，避免爆炸等事故的發生。壓力容器的疲勞壽命預測一直是國內外斷裂力學界研究的重點課題。目前普遍采用的方法是實測法，但該方法受各種客觀條件的限制，無法對在役壓力容器進行現場測試，且人力物力消耗大、有效性不能保證。一種基于應力強度因子幅ΔK的壓力容器疲勞壽命預測的數值模擬技術目前也有文獻報導，并已在實際工程中得到一定應用。但ΔK僅局限于線彈性和小范圍屈服的斷裂問題，對于工程實際中存在的大量的大范圍屈服和全面屈服斷裂問題已不能適用，宜采用理論上較為完善的循環J積分ΔJ作為斷裂參量。
實踐中，人們希望通過計算機對壓力容器進行為間斷地檢測，即時作出關閉或保持使用等操作指令，再通過指令來控制壓力容器，保證容器的絕對安全。
發明內容
針對現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種通過計算機來控制壓力容器，能夠預防在役壓力容器的突發性破壞事故的發生、預測其疲勞剩余壽命、保證壓力容器安全使用的壓力容器疲勞壽命安全預測方法。
本發明為達到以上目的，是通過這樣的技術方案來實現的提供一種壓力容器疲勞壽命安全預測方法，包括以下步驟1)、用于輸入初始缺陷信息的輸入步驟；2)、用于輸入節點三維地址信息的輸入步驟；3)、用于獲得裂紋面積增量的步驟，采用An=2Δxn2+Δyn2+Δzn2Σi=1Ihn(si)J(si)α(si)---n=1,2,3;]]>其中Δxn、Δyn、Δzn表示節點n在X、Y、Z方向上的位移，hn(si)表示形函數，J(si)表示雅可比矩陣，節點1、2、3處的si表示值分別為-1、0、+1。
(見附圖1)4)、用于獲得彈塑性循環J積分ΔJ的步驟，采用ΔJ=1An∫∫∫V[(Δσij∂Δuj∂xk-Δwδik)∂Δxk∂xi]dV]]>其中An表示裂紋虛擴展導致的裂紋面積的增量，σij表示應力張量，u1表示位移矢量，W表示應變能密度，δ表示Kronecker張量，Δxi表示兩個獨立坐標系間坐標變換的映射函數，V表示裂紋體中受裂紋虛擴展影響的體積區域。
5)、用于獲得裂紋擴展增量的步驟，采用
Ni+1-Ni=Δac(ΔJi)n---Δa=(ai+1-ai)/m]]>其中Ni、Ni+1、ai、ai+1表示裂紋擴展到i、i+1時次數和裂紋長度，c、n表示材料常數，m表示計算分段數。
6)、用于獲得裂紋深度的步驟，所述裂紋深度為原有裂紋深度與上述裂紋擴展增量之和；7)、將上述裂紋深度與存儲于計算機內部的容限尺寸進行比較的步驟，若裂紋深度小于容限尺寸，則輸出信號，壓力容器保持使用；若裂紋深度大于容限尺寸，則輸出信號，關閉壓力容器。
裂紋擴展增量是以彈塑性循環J積分ΔJ為控制信號，通過計算機轉換而得，從而控制壓力容器的使用。裂紋面積增量可簡化為An=16LΔxn2+Δyn2+Δzn2---n=1,3.]]>本發明通過計算機對壓力容器進行實時控制(通過計算機對壓力容器進行不間斷地檢測，即時作出關閉或保持使用等操作指令，再通過指令來控制壓力容器)，對于預防在役壓力容器的突發性破壞事故的發生、預測其疲勞剩余壽命、保證壓力容器的安全使用具有重大的應用價值。本發明以三維彈塑性循環J積分ΔJ作為斷裂參量、采用Paris擴展模型、利用有限元技術模擬跟蹤裂紋疲勞擴展全過程并預測其疲勞剩余壽命。這是一種基于循環J積分ΔJ的壓力容器疲勞壽命預測的數值模擬新技術，該技術具有物理意義明確、直觀性強、計算精度高、與實際吻合程度好等特點。
圖1是20節點三維等參元局部網格平面示意圖；
圖2是裂紋擴展示意圖。
具體實施例方式
首先根據壓力容器的結構、材料和受力狀況獲得此壓力容易的的容限尺寸，將此容限尺寸存入計算機數據庫，待用。
通過無損檢測方法(例如射線或超聲波檢測)定性、定量獲得壓力容器的缺陷類型、位置及尺寸，將此類初始缺陷信息輸入計算機；將關于節點三維地址信息也輸入計算機。
從Paris-Erdogan擴展模型可知，對于裂紋穩定擴展階段可用下式表示dadN=c(ΔK)n---(1)]]>對于工程實際中存在的大量的大范圍屈服和全面屈服斷裂問題的裂紋疲勞擴展速率，用ΔJ來代替ΔK，因此(1)式變為dadN=c(ΔJ)n---(2)]]>其中基于張量表示法的三維ΔJ的表達式如下ΔJ=1An∫∫∫V[(Δσij∂Δuj∂xk-Δwδik)∂Δxk∂xi]dV---(3)]]>式中An為裂紋虛擴展導致的裂紋面積的增量；σij為應力張量；ui為位移矢量；w為應變能密度；δ為Kronecker張量；Δxi為兩個獨立坐標系間坐標變換的映射函數；v為裂紋體中受裂紋虛擴展影響的體積區域適合于有限元計算的矩陣形式為ΔJ=1AnΣn=1NΣi=13Σj=13Σk=13{trace[({Δσ}{∂ΔU∂X}-Δw{I})∂ΔX∂X]αiαjαk|J|}---(4)]]>式中N為受節點虛位移影響的單元；{J}為雅可比矩陣；α為相應的加權系數； 其余同式(3)。
裂紋面積增量An的計算非常關鍵，直接影響到J積分的計算精度，其具體計算介紹如下對于20節點等參元，由于形函數具有二次性，節點位移會引起如圖1所示的網格變形現象。
根據有限元理論，圖1中裂紋前沿某一點的坐標可以表示為 相應的形函數為 式中節點1、2、3處的s值分別為-1、0、1。當節點3移至新的坐標(x3，y3，z3)時 由節點1、2及節點3新坐標確定的曲線上任一點的坐標可以表示為
于是得到了新曲線上任一點的虛位移表達式為 因此求出圖1中兩曲線間陰影部分的裂紋面積增量為A3=∫|ΔX|dl=Δx32+Δy32+Δz32∫-1+1h3(s)Jds---(10)]]>式(10)中dl為弧長增量；J={[s(x1+x3-2x2)+12(x3-x1)]2}+[s(y1+y3-2y2)+12(y3-y1)]2+[s(z1+z3-2z2)+12(z3-z1)]2}1/2]]>當然也可以求出由節點1或節點2處虛位移引起的裂紋面積增量，其計算公式統一表示為An=Δxn2+Δyn2+Δzn2∫-1+1hn(s)Jds----n=1,2,3---(11)]]>對式(11)進行高斯積分，得到An=Δxn2+Δyn2+Δzn2Σi=1Ihn(si)J(si)α(si)---n=1,2,3---(12)]]>式(12)中I為高斯積分點。
通過上述推導，得到了由1個節點虛位移引起的在1個單元上裂紋面積增量的計算公式。需要指出的是，當由1個單元節點產生虛位移時，如圖1所示，會引起旁邊2個單元網格的變化，故An應為2個單元的裂紋面積增量。
在實際計算過程中，需要運用一些處理技巧。如節點2位于節點1、3聯線中心時，An的計算就比較簡單。由于x1+x3-2x2＝0，y1+y3-2y2＝0，z1+z3-2z2＝0，則雅可比表達式J就可以簡化為J=12(x3-x1)2+(y3-y1)2+(z3-z1)2=12L---(13)]]>式(13)中L表示節點1、3之間連線長度。
相應地裂紋面積增量An的計算公式可簡化為An=16LΔxn2+Δyn2+Δzn2---n=1,3---(14)]]>另外J積分的路徑應盡量避免裂紋前沿第1層單元因裂尖應力奇異性造成J積分偏大的情況，同時也應考慮減少計算量，而選取沿裂尖第2層單元的路線。
根據上述方法，在計算機上利用有限元技術就可以計算出裂紋擴展到每個階段的裂紋前沿各點的循環J積分ΔJ值。
針對某一特定的裂紋，如圖2所示，如果裂紋前沿曲線用幾個離散點定義，則取裂紋上一點i的變化過程作為研究對象，當裂紋擴展后，i點成為裂紋新前沿面上的i+1點，此時，對于研究點i，可將式(2)兩邊積分轉換為∫ajai+1da=∫NjNi+1c(ΔJ)ndN---(15)]]>式中Ni、Ni+1、ai、ai+1為裂紋擴展到i、i+1時次數和裂紋長度實際工程中，我們可假定裂紋前沿曲線是預知的任意形狀，裂紋前沿的三維彈塑性循環J積分ΔJ值可由有限元計算得到，則用Eular積分方程代替(15)式積分，可得Ni+1-Ni=Δac(ΔJi)n---Δa=(ai+1-ai)/m---(16)]]>只要控制Δa在一定范圍內，裂紋從ai擴展到ai+1時，可用數值方法得到規定精度范圍內的解Ni+1，循環利用式(16)，便可計算出該點的整個擴展過程。
對整個裂紋前沿來說，假定裂紋初始前沿的J積分已求得，則對于j、m兩點顯然可運用Paris-Erdogan模型Δa|j＝c(ΔJ)nΔN|j(17)Δa|m＝c(ΔJ)nΔN|m(18)式(17)和式(18)中，ΔN|j＝ΔN|m，兩式相除可得ΔajΔam=(ΔJjΔJm)n----(19)]]>據式(19)可知，只要求出裂紋前沿上各點的循環J積分ΔJ值和裂紋上某一點的擴展增量，便可求出裂紋前沿各點的裂紋擴展增量。具體實施過程中可首先計算出裂紋最深點作為參考來計算其它各點，并定義該點裂紋增量為Δamax，由此便可計算和模擬裂紋形貌在整個疲勞過程中的擴展變化情況，并由此可以得到裂紋的疲勞剩余壽命。
將前一循環所得裂紋深度加上本次循環所得的裂紋擴展增量，即為本次循環可得的裂紋深度(此裂紋深度為下一工作時的預測裂紋深度值)。當若裂紋深度小于數據庫內的容限尺寸，則輸出信號，壓力容器保持使用；若裂紋擴展深度大于容限尺寸，則輸出信號，關閉壓力容器。
以上所述僅為本發明的一個具體實施方式
，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，還可以作出許多變型和改進，所有的變型或改進均應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種壓力容器疲勞壽命安全預測方法，其特征是包括以下步驟1)、用于輸入初始缺陷信息的輸入步驟2)、用于輸入節點三維地址信息的輸入步驟；；3)、用于獲得裂紋面積增量的步驟，采用An=2Δxn2+Δyn2+Δzn2Σi=1lhn(si)J(si)α(si)---n=1,2,3;]]>4)、用于獲得彈塑性循環J積分ΔJ的步驟，采用ΔJ=1An∫∫∫[(Δσij∂Δuj∂xk-Δwδik)∂Δxk∂xi]dV]]>5)、用于獲得裂紋擴展增量的步驟，采用Ni+1-Ni=Δac(ΔJi)nΔa=(ai+1-ai)/m]]>6)、用于獲得裂紋深度的步驟，所述裂紋深度為原有裂紋深度與上述裂紋擴展增量之和；7)、將上述裂紋深度與存儲于計算機內部的容限尺寸進行比較的步驟，若裂紋深度小于容限尺寸，則輸出信號，壓力容器保持使用；若裂紋深度大于容限尺寸，則輸出信號，關閉壓力容器。
2.根據權利要求1所述的壓力容器疲勞壽命安全預測方法，其特征是所述裂紋擴展增量是以彈塑性循環J積分ΔJ為控制信號，通過計算機轉換而得。
3.根據權利要求2所述的壓力容器疲勞壽命安全預測方法，其特征是所述裂紋面積增量可簡化為An=16LΔxn2+Δyn2+Δzn2---n=1,3.]]>
全文摘要
本發明公開了一種壓力容器疲勞壽命安全預測方法，包括通過輸入初始缺陷信息、節點三維地址信息獲得裂紋面積增量，進而獲得裂紋擴展增量，將上述裂紋擴展增量與原有裂紋深度相加，即可獲得裂紋深度。將上述裂紋深度與存儲于計算機內部的容限尺寸進行比較，進而控制壓力容器。本發明通過計算機對壓力容器進行實時控制，對于預防在役壓力容器的突發性破壞事故的發生、預測其疲勞剩余壽命、保證壓力容器的安全使用具有重大的應用價值。
文檔編號G06F17/00GK1614294SQ20041006774
公開日2005年5月11日 申請日期2004年10月31日 優先權日2004年10月31日
發明者金志江 申請人:浙江大學