CN110442968B - 一种在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，所述方法包括：计算待分析结构在若干种单一载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷；将计算获取的极限载荷和塑性崩塌载荷作为待分析结构极限塑性载荷分析的标准化参数；拟合得到待分析结构在组合载荷作用下的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式；获得待分析结构在组合载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷下包络公式；对待分析结构所受的实际载荷进行评定；实现结构在组合载荷作用下的极限塑性载荷分析方法，对于组合载荷作用下结构的极限塑性载荷的研究具有重要的工程意义。

Description

一种在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法
技术领域
本发明涉及核级设备和管道的极限塑性载荷分析领域，具体地，涉及一种在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法。
背景技术
在核电厂核级设备和管道的设计中，目前大部分采用分析设计法。分析设计法的主要目的是防止结构塑性崩塌，主要分析方法包括弹性应力分析法和极限塑性载荷分析法。相对于弹性应力分析法，极限塑性载荷分析法无需对应力进行分类，且在某些情况下较弹性应力分析法有更高的限值，因此，在弹性应力分析法无法满足规范的评定准则时，可以采用极限塑性载荷分析法取代弹性应力分析法的分析及评定。
在力学的分析设计中，通常包括压力、机械外载等多种载荷的共同作用，而RCC-M规范和ASME规范，仅给出结构在单一载荷作用下的极限塑性载荷分析方法。并未给出组合载荷作用下的极限塑性载荷分析方法，目前极限塑性载荷分析分析方法具有局限性，并未得到更广泛的应用。
发明内容
本发明提供了一种在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，实现结构在组合载荷作用下的极限塑性载荷分析方法，对于组合载荷作用下结构的极限塑性载荷的研究具有重要的工程意义。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，所述方法包括：
计算待分析结构在若干种单一载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷；
将计算获取的极限载荷和塑性崩塌载荷作为待分析结构极限塑性载荷分析的标准化参数；
令
Figure BDA0002155834600000011
为标准化极限载荷，
Figure BDA0002155834600000012
为标准化塑性崩塌载荷；FL为极限载荷，FP为塑性崩塌载荷，F为待分析结构所受到的实际载荷；
分析预设因素对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系的影响，预设因素包括：载荷的加载历史、待分析结构的结构尺寸、待分析结构的材料性能、待分析结构受到的不同类型载荷之间的组合(如压力与弯矩，压力与扭矩等不同载荷类型的组合)；
若预设因素对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系均没有影响，(此处，由于一个载荷组合中有多个标准化极限载荷和塑性崩塌载荷，如标准化极限内压和标准化极限弯矩等，以及标准化塑性崩塌内压和标准化塑性崩塌弯矩等，这里分析的是预设因素分别对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷的影响，即，标准化极限内压和标准化极限弯矩之间的关系，以及标准化塑性崩塌内压和标准化塑性崩塌弯矩之间的关系)则拟合得到待分析结构在某一种特定的组合载荷(此处组合载荷指的是某一种特定的载荷组合，而前面预设因素中提到的载荷组合指的是不同的载荷组合对结构的影响)作用下的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式；
若预设因素对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系有影响，则获得待分析结构在组合载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷下包络公式(有的结构可以得到确定的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式，而有的结构无法得到确定的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式，但可以得到包络公式用于分析)；
对待分析结构所受的实际载荷进行评定，将待分析结构的实际载荷代入待分析结构对应的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式或极限载荷和塑性崩塌载荷下包络公式进行计算，基于计算结果判断待分析结构是否满足要求。
优选的，采用有限元法计算待分析结构在若干种单一载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷，具体过程如下：
1)在ANSYS软件中对结构进行有限元建模，施加合适的边界条件；
2)对有限元模型施加单一载荷(如内压、弯矩、扭矩等)；
3)当材料的本构为理想弹塑性时，施加足够小的载荷步增量，取能计算收敛的最后一个载荷步的载荷为极限载荷；当材料的本构考虑应变强化或大变形理论时，计算获得结构载荷-变形曲线，采用合适的准则(如两倍斜率准则：塑性崩塌载荷是一条由原点作为端点，载荷-变形曲线弹性阶段的两倍斜率的射线与载荷-变形曲线的交点)获得塑性崩塌载荷。
优选的，极限载荷FL和塑性崩塌载荷FP包括极限内压PL，极限弯矩ML，塑性崩塌内压PP，塑性崩塌弯矩MP，其中，PL和ML属于FL，PP和MP属于FP。
优选的，拟合得到待分析结构在组合载荷作用下的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式，具体为：通过软件ORIGIN数学分析模块中的数据拟合功能实现对散点数据的拟合。
优选的，待分析结构所受的载荷为组合载荷。
其中，计算待分析结构在若干种单一载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷，具体过程如下：
1)在ANSYS软件中对结构进行有限元建模，施加合适的边界条件；
2)对有限元模型施加单一载荷(如内压、弯矩、扭矩等)；
3)当材料的本构为理想弹塑性时，施加足够小的载荷步增量，取能计算收敛的最后一个载荷步的载荷为极限载荷；当材料的本构考虑应变强化或大变形理论时，计算获得结构载荷-变形曲线，采用合适的准则(如两倍斜率准则：塑性崩塌载荷是一条由原点作为端点，载荷-变形曲线弹性阶段的两倍斜率的射线与载荷-变形曲线的交点)获得塑性崩塌载荷。
优选的，组合载荷中的载荷均为静载荷。
优选的，当待分析结构为直管结构，拟合得到极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式为：
极限载荷公式：
(P/PL)2+(M/ML)2＝1
公式(1)
塑性崩塌载荷公式：
(P/PP)2+(M/MP)2＝1 公式(2)
其中，P为结构所受的内压，M为结构所受的弯矩。
优选的，当待分析结构为三通结构，拟合得到极限载荷公式，以及获得塑性崩塌载荷的下包络公式为：
极限载荷公式：
(P/PL)2+(M/ML)2＝1
公式(3)
塑性崩塌载荷公式：
(P/PP)2+(M/MP)2＝0.9 公式(4)。
其中，P为结构所受的内压，M为结构所受的弯矩。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
对核电厂核级设备和管道在组合载荷作用下可以采用本方法中极限塑性载荷分析法进行快速分析及评定。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请中在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法的流程示意图；
图2是本申请中直管结构有限元模型示意图；
图3是本申请中三通结构有限元模型示意图；
图4是本申请中加载历史和结构尺寸对直管结构极限载荷曲线的影响示意图；
图5是本申请中加载历史和结构尺寸对直管结构塑性崩塌载荷曲线的影响示意图；
图6是本申请中加载历史和结构尺寸对三通结构极限载荷曲线的影响示意图；
图7是本申请中加载历史和结构尺寸对三通结构塑性崩塌载荷曲线的影响示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的实施例的技术方案如下：
1)应用ANSYS等有限元软件，采用有限元法计算某特定结构形式在各种单一载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷；
2)将获取的各种单一载荷作用下的极限载荷FL和塑性崩塌载荷FP(包括极限内压PL，极限弯矩ML，塑性崩塌内压PP，塑性崩塌弯矩MP等)作为组合载荷作用下极限塑性载荷分析的标准化参数；即将计算获取的极限载荷和塑性崩塌载荷，作为组合载荷作用下待分析结构极限塑性载荷分析的标准化参数；
3)令
Figure BDA0002155834600000041
为标准化极限载荷，
Figure BDA0002155834600000042
为标准化塑性崩塌载荷，F为待分析结构所受到的实际载荷；
4)分析各种影响因素(包括加载历史、结构尺寸、材料性能、载荷组合等)对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系的影响(如结构只受两种载荷组合作用，则标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系为曲线)；
5)如果各种因素对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系均没有影响，则可拟合得到该特定结构在组合载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷公式；
6)如果各种因素对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系有影响，则可获得该特定结构在组合载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷下包络公式；
7)对结构所受的实际载荷进行评定。
本发明的具体实施方法如下：
本发明选取分析的特定结构为直管结构和三通结构，ANSYS有限元模型见图2和图3，对有限元模型的材料定义合适的弹性模量、泊松比和屈服强度。作为一个算例，本发明分析的载荷组合为内压和弯矩组合。由于在计算结构的极限载荷时，采用的材料本构为理想弹塑性本构，因此，当结构失效时，ANSYS计算将无法收敛，本发明施加足够小的载荷步增量，取能计算收敛的最后一个载荷步的载荷为极限载荷；结构的塑性崩塌载荷采用斜率交叉准则进行确定。
分析加载历史和结构尺寸对直管结构和三通结构的标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系的影响，分析结果如图4～图7所示。
对于直管结构，可拟合得到极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式如下：
极限载荷公式：
(P/PL)2+(M/ML)2＝1 公式(1)
塑性崩塌载荷公式：
(P/PP)2+(M/MP)2＝1 公式(2)
对于三通结构，可拟合得到极限载荷公式，以及获得塑性崩塌载荷的下包络公式如下：
极限载荷公式：
(P/PL)2+(M/ML)2＝1 公式(3)
塑性崩塌载荷公式：
(P/PP)2+(M/MP)2＝0.9 公式(4)
最后对结构所受的实际载荷进行评定，将实际载荷代入极限载荷和塑性崩塌载荷公式，若等式左边不大于右边，则结构满足要求；反之，则结构不满足要求。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，其特征在于，所述方法包括：
计算待分析结构在若干种单一载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷；
将计算获取的极限载荷和塑性崩塌载荷作为待分析结构极限塑性载荷分析的标准化参数；
令
Figure FDA0003603006620000011
为标准化极限载荷，
Figure FDA0003603006620000012
为标准化塑性崩塌载荷；FL为极限载荷，FP为塑性崩塌载荷，F为待分析结构所受到的实际载荷；
分析预设因素对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系的影响，预设因素包括：载荷的加载历史、待分析结构的结构尺寸、待分析结构的材料性能、待分析结构受到的不同类型载荷之间的组合信息；
若预设因素对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系均没有影响，则拟合得到待分析结构在某一种特定的组合载荷作用下的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式；
当待分析结构为直管结构，拟合得到极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式为：
极限载荷公式：
(P/PL)2+(M/ML)2＝1
公式(1)
塑性崩塌载荷公式：
(P/PP)2+(M/MP)2＝1 公式(2)
其中，P为结构所受的内压，M为结构所受的弯矩；
当待分析结构为三通结构，拟合得到极限载荷公式，以及获得塑性崩塌载荷的下包络公式为：
极限载荷公式：
(P/PL)2+(M/ML)2＝1
公式(3)
其中，P为结构所受的内压，M为结构所受的弯矩；
塑性崩塌载荷公式：
(P/PP)2+(M/MP)2＝0.9 公式(4)；
若预设因素对标准化极限载荷和塑性崩塌载荷之间关系有影响，则获得待分析结构在组合载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷下包络公式；
对待分析结构所受的实际载荷进行评定，将待分析结构的实际载荷代入待分析结构对应的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式或极限载荷和塑性崩塌载荷下包络公式进行计算，基于计算结果判断待分析结构是否满足要求。
2.根据权利要求1所述的在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，其特征在于，采用有限元法计算待分析结构在若干种单一载荷作用下的极限载荷和塑性崩塌载荷，包括：
1)在ANSYS软件中对结构进行有限元建模，施加相应的边界条件；
2)对有限元模型施加单一载荷；
3)当材料的本构为理想弹塑性时，施加符合预设要求的载荷步增量，取能计算收敛的最后一个载荷步的载荷为极限载荷；当材料的本构考虑应变强化或大变形理论时，计算获得结构载荷-变形曲线，采用预设的准则获得塑性崩塌载荷。
3.根据权利要求1所述的在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，其特征在于，极限载荷FL和塑性崩塌载荷FP包括极限内压PL，极限弯矩ML，塑性崩塌内压PP，塑性崩塌弯矩MP，PL和ML属于FL，PP和MP属于FP。
4.根据权利要求1所述的在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，其特征在于，拟合得到待分析结构在组合载荷作用下的极限载荷公式和塑性崩塌载荷公式，具体为：通过软件ORIGIN数学分析模块中的数据拟合功能实现对散点数据的拟合。
5.根据权利要求1所述的在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，其特征在于，待分析结构所受的载荷为组合载荷。
6.根据权利要求5所述的在组合载荷作用下应用极限塑性载荷分析的方法，其特征在于，组合载荷中的载荷均为静载荷。
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