[发明专利]超高压容器筒体外壁轴-径向裂纹应力强度因子计算方法

说明书

本发明涉及超高压容器设计开发及疲劳失效评定计算技术领域，具体涉及一种超高压容器筒体外壁轴‑径向裂纹应力强度因子计算方法。本发明包括以下步骤：确定超高压容器的结构参数，测量出轴‑径向裂纹的形状参数，并确定筒体的载荷工况；拟合垂直于裂纹所在平面的应力分布；计算所需的拟合系数；计算出当前裂纹形状下的另一拟合系数；计算出当前裂纹最深点处和靠近自由表面处的裂纹形状系数；计算出应力强度因子K_I。本发明可在确保计算结果的准确性的同时，仅通过公式即能实现对筒体外壁轴‑径向半椭圆形裂纹应力强度因子的快速化、简洁化和书面化的计算，无需依赖有限元计算软件及专业数学分析软件，更适用于工程应用。

技术领域

本发明涉及超高压容器设计开发及疲劳失效评定计算技术领域，具体涉及一种超高压容器筒体外壁轴-径向裂纹应力强度因子计算方法。

背景技术

筒体外壁轴-径向表面裂纹是超高压容器在制造及运行使用中常见的一种裂纹形式，主要为半椭圆形，也就是GB 34019—2017《超高压容器》所述典型裂纹中的E型裂纹。从压力容器的损伤容限角度出发，需要准确地计算出裂纹尖端的应力强度因子，因为它是含裂纹压力容器剩余强度评估和基于疲劳裂纹扩展的剩余寿命预测的关键参数。因而，在实际工程应用中，找到一种快速简洁的筒体外壁轴-径向半椭圆形裂纹应力强度因子计算方法显得尤为重要。

传统裂纹尖端应力强度因子计算方法主要有数学分析法、有限元法、边界配置法及光弹性法等，目前大多学者及研究人员以数学分析法(主要为权函数法)和有限元法居多。对于超高压容器典型裂纹应力强度因子的计算，美国的ASME BPVC.Ⅷ.3-2019《Alternative Rules for Construction ofHigh Pressure Vessels》中的非强制性附录D和我国的GB34019—2017《超高压容器》中的附录F都有所提及，两个标准中的内容也相近。标准中对筒体内壁轴-径向裂纹(A型裂纹)有详细的计算步骤，并分别给出了两种方法。然而，对于筒体外壁轴-径向裂纹(E型裂纹)，标准中并没有给出具体的计算公式，仅是提及可以采用类似的方法进行计算，即：①弹性分析得出垂直于裂纹所在平面的应力分布数据；②将应力分布数据进行相关的三次多项式拟合，求解三次多项式的拟合系数；③根据裂纹的实际形状参数，基于表格中的G_i值数据，最终得出裂纹最深点处和自由表面处的应力强度因子。

由上所述可知，筒体外壁轴-径向裂纹应力强度因子的计算关键点，是得出垂直于此裂纹所在平面的应力分布曲线，并求解它的三次多项式拟合系数。然而，在弹性分析过程中，我们一般要进行数理推导或用有限元计算软件进行计算分析；在数据拟合过程中，一般要用专用数学分析软件如Maple、MATLAB、MathCAD和Mathematica等或专用计算程序进行最小二乘法拟合而成。由此可见，这些计算过程都显得过于繁冗复杂，并不适合于工程中快速简洁的计算需要。

此外，现有的计算方法一般仅考虑容器承受内压载荷的工况。但是工程中也会遇到容器承受外压载荷或同时承受内外压载荷的工况，例如：万米深海环境下的容器、多层缩套超高压容器中的内层容器等。针对此种特殊情形，现在技术就显得不足了。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种超高压容器筒体外壁轴-径向裂纹应力强度因子计算方法，其可在确保计算结果的准确性的同时，仅通过公式即能实现对筒体外壁轴-径向半椭圆形裂纹应力强度因子的快速化、简洁化和书面化的计算，无需依赖有限元计算软件及专业数学分析软件，更适用于工程应用。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种超高压容器筒体外壁轴-径向裂纹应力强度因子计算方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、确定超高压容器的结构参数，测量出轴-径向裂纹的形状参数，并确定筒体的载荷工况；

S2、按下式拟合垂直于裂纹所在平面的应力分布：