CN115854245A - 一种用于压力容器的内表面应变重构方法 - Google Patents

一种用于压力容器的内表面应变重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于压力容器的内表面应变重构方法，涉及压力容器结构监测及损伤识别技术领域。本发明通过在压力容器外表面上沿其环向和经向布设应变传感器，基于应变传感器测量得到的环向应变和经向应变，结合压力容器内外表面环向应变之间的解析关系以及压力容器内外表面经向应变之间的解析关系，重构得到压力容器内表面的环向应变和经向应变。本发明仅需测量压力容器的外表面应变就能精确获取其内表面的应变分布，为后续压力容器的状态重构和损伤定量化评价提供了数据支持，具有广泛推广的价值。

Description

一种用于压力容器的内表面应变重构方法
技术领域
本发明涉及压力容器结构监测及损伤识别技术领域，具体涉及一种用于压力容器的内表面应变重构方法。
背景技术
压力容器作为贮存、反应、分离原料的容器，广泛应用于石油化工、核工业、机械制造、航海运输等领域。近年来，压力容器还在新能源汽车、航空航天领域发挥着重要的作用。压力容器功能的发挥严重依赖于其自身结构的完整性。但是，压力容器作为一种组合壳体，在封头和直桶段的连接部位处常会存在曲率不连续的问题，曲率的突变往往会导致较高的不连续应力，严重影响压力容器的使用寿命。所以有必要针对压力容器的形状、尺寸以及发生突变的区域进行健康评估，获取关于压力容器结构状态的量化信息。这就需要在压力容器上布设传感器，特别是压力容器表面的高应变区域，获取压力容器的应变信息。
但是，由于压力容器的结构限制以及密闭性的要求，很难满足在压力容器内部布设传感器的需求。因此，亟需提出一种用于压力容器的内表面应变重构方法，基于压力容器外表面的应变数据，重构得到压力容器内表面的应变分布。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提出了一种用于压力容器的内表面应变重构方法，通过将膜理论于不连续分析相结合获取压力容器的应力分布情况后，再基于广义胡克定律，建立了压力容器内表面应变与外表面应变之间的关系，以压力容器的外表面应变为基础，实现了对压力容器内表面应变的重构。
本发明采用以下的技术方案：
一种用于压力容器的内表面应变重构方法，具体包括以下步骤：
步骤1，在压力容器外表面上沿压力容器的环向和经向均匀设置多个应变传感器，利用应变传感器获取压力容器外表面的环向应变和经向应变；
步骤2，基于压力容器内外表面环向应变之间的解析关系，重构得到压力容器内表面的环向应变；
步骤3，基于压力容器内外表面经向应变之间的解析关系，重构得到压力容器内表面的经向应变。
优选地，所述步骤2中，具体包括以下步骤：
步骤2.1，根据有力矩理论，得到均匀内压条件下压力容器内外表面环向应变之间的解析关系为：
Figure BDA0003987449960000021
式中，
Figure BDA0003987449960000022
为压力容器外表面的环向应变，
Figure BDA0003987449960000023
为压力容器内表面的环向应变；
步骤2.2，基于均匀内压条件下压力容器内外表面环向应变之间的解析关系，根据测量得到的压力容器外表面环向应变直接确定压力容器的内表面环向应变。
优选地，所述步骤3中，具体包括以下步骤：
步骤3.1，将压力容器的经向应变分为薄膜解和有矩解，如公式(2)所示：
Figure BDA0003987449960000024
式中，εx为压力容器的经向应变，
Figure BDA0003987449960000025
为基于无力矩理论计算得到的经向应变，
Figure BDA0003987449960000026
为基于有力矩理论计算得到的经向二次应变；
步骤3.2，由于二次应变具有局部性，超过压力容器边缘应力的截至距离时局部应变εx衰减完全，得到：
Figure BDA0003987449960000027
其中，
Figure BDA0003987449960000028
式中，dc为截至距离；x为经线坐标，坐标原点坐落于直桶段与封头的连接位置，x＞0对应直桶段，x＜0对应封头，x表示与连接位置之间经线的长度；Eθ为压力容器的环向模量，Ex为压力容器的经向模量；μxθ为压力容器的经向泊松比，μθx为压力容器的环向泊松比；β为衰减系数，a为压力容器的半径，t为压力容器的厚度；
则压力容器内外表面经向应变之间的解析关系为：
Figure BDA0003987449960000029
其中，
Figure BDA0003987449960000031
式中，
Figure BDA0003987449960000032
为压力容器外表面的经向应变，
Figure BDA0003987449960000033
为压力容器内表面的经向应变，B为计算系数；
步骤3.3，由于截至距离dc与压力容器半径a之间的比值远小于1，假设：
Figure BDA0003987449960000034
Figure BDA0003987449960000035
根据压力容器内表面的应变连续条件确定计算系数B，如公式(9)所示：
Figure BDA0003987449960000036
步骤3.4，综合公式(5)～(9)，利用压力容器外表面的经向应变，重构得到压力容器内表面的经向应变。
优选地，所述步骤3.1中，薄膜解为基于无力矩理论的解；有矩解为将压力容器封头与圆柱壳沿边缘切开后，自由边界上所受到的边缘力和边缘力矩作用时有力矩理论的解。
本发明具有如下有益效果：
本发明方法提出了一种用于压力容器的内表面应变重构方法，该方法仅需测量压力容器外表面的应变就能实现压力容器内表面应变的重构，实现了对压力容器内表面的应变分布的精确获取，为后续压力容器的状态重构和损伤定量化评价提供了数据支持。
本发明方法仅通过测量压力容器外表面应变即可准确获取压力容器的内表面应变分布，操作简单，便于现场实施应用，为航空航天、车辆、航海、运输、石油化工等领域压力容器的状态监测和损伤识别奠定了基础，具有广泛推广的价值。
附图说明
图1为压力容器的示意图。
图2为本实施例中重构得到的压力容器内表面环向应变。
图3为本实施例中重构得到的压力容器内表面经向应变。
具体实施方式
下面结合附图和某压力容器为例，对本发明的具体实施方式做进一步说明：
本发明提出了一种用于压力容器的内表面应变重构方法，具体包括以下步骤：
步骤1，压力容器结构如图1所示，包括封头和直桶段，在压力容器外表面上沿压力容器的环向和经向均匀设置多个应变传感器，其中，压力容器的经向方向垂直于压力容器的环向方向，利用应变传感器获取压力容器外表面的环向应变和经向应变。
步骤2，基于压力容器内外表面环向应变之间的解析关系，重构得到压力容器内表面的环向应变，具体包括以下步骤：
步骤2.1，根据有力矩理论，得到均匀内压条件下压力容器内外表面环向应变之间的解析关系为：
Figure BDA0003987449960000041
式中，
Figure BDA0003987449960000042
为压力容器外表面的环向应变，
Figure BDA0003987449960000043
为压力容器内表面的环向应变。
步骤2.2，基于均匀内压条件下压力容器内外表面环向应变之间的解析关系，根据测量得到的压力容器外表面环向应变直接确定压力容器的内表面环向应变，如图2所示。
步骤3，基于压力容器内外表面经向应变之间的解析关系，重构得到压力容器内表面的经向应变，具体包括以下步骤：
步骤3.1，将压力容器的经向应变分为薄膜解和有矩解，其中，薄膜解为基于无力矩理论的解，有矩解为将压力容器封头与圆柱壳沿边缘切开后，自由边界上所受到的边缘力和边缘力矩作用时有力矩理论的解，此时经向应变如公式(2)所示：
Figure BDA0003987449960000044
式中，εx为压力容器的经向应变，
Figure BDA0003987449960000045
为基于无力矩理论计算得到的经向应变，
Figure BDA0003987449960000046
为基于有力矩理论计算得到的经向二次应变。
步骤3.2，由于二次应变具有局部性，超过压力容器边缘应力的截至距离时局部应变εx衰减完全，得到：
Figure BDA0003987449960000047
其中，
Figure BDA0003987449960000048
式中，dc为截至距离；x为经线坐标，坐标原点坐落于柱壳与封头的连接位置，x＞0对应圆柱壳，x＜0对应封头，x表示与连接位置之间经线的长度；Eθ为压力容器的环向模量，Ex为压力容器的经向模量；μxθ为压力容器的经向泊松比，μθx为压力容器的环向泊松比；β为衰减系数，a为压力容器的半径，t为压力容器的厚度。
则压力容器内外表面经向应变之间的解析关系为：
Figure BDA0003987449960000051
其中，
Figure BDA0003987449960000052
式中，
Figure BDA0003987449960000053
为压力容器外表面的经向应变，
Figure BDA0003987449960000054
为压力容器内表面的经向应变，B为计算系数。
步骤3.3，由于截至距离dc与压力容器半径a之间的比值远小于1，假设：
Figure BDA0003987449960000055
Figure BDA0003987449960000056
根据压力容器内表面的应变连续条件确定计算系数B，如公式(9)所示：
Figure BDA0003987449960000057
步骤3.4，综合公式(5)～(9)，利用压力容器外表面的经向应变，重构得到压力容器内表面的经向应变，如图3所示。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于压力容器的内表面应变重构方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，在压力容器外表面上沿压力容器的环向和经向均匀设置多个应变传感器，利用应变传感器获取压力容器外表面的环向应变和经向应变；
步骤2，基于压力容器内外表面环向应变之间的解析关系，重构得到压力容器内表面的环向应变；
步骤3，基于压力容器内外表面经向应变之间的解析关系，重构得到压力容器内表面的经向应变。
2.根据权利要求1所述的一种用于压力容器的内表面应变重构方法，其特征在于，所述步骤2中，具体包括以下步骤：
步骤2.1，根据有力矩理论，得到均匀内压条件下压力容器内外表面环向应变之间的解析关系为：
Figure FDA0003987449950000011
式中，
Figure FDA0003987449950000012
为压力容器外表面的环向应变，
Figure FDA0003987449950000013
为压力容器内表面的环向应变；
步骤2.2，基于均匀内压条件下压力容器内外表面环向应变之间的解析关系，根据测量得到的压力容器外表面环向应变直接确定压力容器的内表面环向应变。
3.根据权利要求2所述的一种用于压力容器的内表面应变重构方法，其特征在于，所述步骤3中，具体包括以下步骤：
步骤3.1，将压力容器的经向应变分为薄膜解和有矩解，如公式(2)所示：
Figure FDA0003987449950000014
式中，εx为压力容器的经向应变，
Figure FDA0003987449950000015
为基于无力矩理论计算得到的经向应变，
Figure FDA0003987449950000016
为基于有力矩理论计算得到的经向二次应变；
步骤3.2，由于二次应变具有局部性，超过压力容器边缘应力的截至距离时局部应变εx衰减完全，得到：
Figure FDA0003987449950000017
其中，
Figure FDA0003987449950000018
式中，dc为截至距离；x为经线坐标，坐标原点坐落于直桶段与封头的连接位置，x＞0对应直桶段，x＜0对应封头，|x|表示与连接位置之间经线的长度；Eθ为压力容器的环向模量，Ex为压力容器的经向模量；μxθ为压力容器的经向泊松比，μθx为压力容器的环向泊松比；β为衰减系数，a为压力容器的半径，t为压力容器的厚度；
则压力容器内外表面经向应变之间的解析关系为：
Figure FDA0003987449950000021
其中，
Figure FDA0003987449950000022
式中，
Figure FDA0003987449950000023
为压力容器外表面的经向应变，
Figure FDA0003987449950000024
为压力容器内表面的经向应变，B为计算系数；
步骤3.3，由于截至距离dc与压力容器半径a之间的比值远小于1，假设：
Figure FDA0003987449950000025
Figure FDA0003987449950000026
根据压力容器内表面的应变连续条件确定计算系数B，如公式(9)所示：
Figure FDA0003987449950000027
步骤3.4，综合公式(5)～(9)，利用压力容器外表面的经向应变，重构得到压力容器内表面的经向应变。
4.根据权利要求3所述的一种用于压力容器的内表面应变重构方法，其特征在于，所述步骤3.1中，薄膜解为基于无力矩理论的解；有矩解为将压力容器封头与圆柱壳沿边缘切开后，自由边界上所受到的边缘力和边缘力矩作用时有力矩理论的解。
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