功能梯度材料壓力容器結構強度設計新方法研究

《功能梯度材料壓力容器結構強度設計新方法研究》是依託大連理工大學,由王澤武擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：功能梯度材料壓力容器結構強度設計新方法研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王澤武

項目摘要

針對於當前GB150和ASME壓力容器設計規範中的常規設計或分析設計方法在功能梯度材料壓力容器結構強度設計上的困難，本項目提出一種新的結構強度設計方法－－逆向設計法。通過建立表征材料微結構特性的單胞模型和壓力容器巨觀結構熱彈性力學行為的多尺度關聯模型，弄清功能梯度材料巨觀性能對微結構的真實依賴關係，推導功能梯度材料軸對稱旋轉殼體（圓筒殼、球殼、橢球殼及錐殼）在熱力耦合作用下應力、應變求解式，發展材料微結構和巨觀幾何設計並發的拓撲最佳化算法，基於逆向設計法構建功能梯度材料壓力容器強度設計理論與方法，從容器承載環境具體要求出發，對材料不同的組分及其分布進行拓撲最佳化，獲得滿足具體要求的材料最佳空間梯度分布，並反饋到材料生產部門進行製造，實現對材料微觀構型與壓力容器巨觀結構的需求－設計－製備一體化協同設計，旨在為今後這類新型複合材料壓力容器的規範設計提供有力的理論依據和技術支持。

結題摘要

壓力容器是一種在化工、煉油、冶金、宇航工程、核動力工程、深海工程等工業技術生產領域發揮著重要作用的特種設備。傳統單一金屬或合金已很難完全滿足現代化生產對壓力容器材料綜合性能的需要，因而出現了異種金屬層合的複合鋼板壓力容器、玻璃纖維或碳纖維纏繞壓力容器等新型複合材料壓力容器。為了保證高溫壓力容器結構的完整性，近年來出現的弱化甚至完全消除異種組分之間界面效應的功能梯度材料壓力容器成為國際研究熱點。功能梯度材料固有的材料非均勻性給力學分析帶來了很大的困難，以往針對均勻材料引入和發展的力學概念、理論和計算方案有許多己不再適用於功能梯度材料。顯然，傳統用於壓力容器結構強度計算的薄膜理論也無法解決功能梯度材料壓力容器結構設計、製造和服役過程中的力學問題。為此，本項目以功能梯度材料壓力容器為研究對象，通過創新性引入一個界面偽擠壓力，根據幾何、物理、平衡關係及邊界條件，導出軸向應變精確解，分別建立了功能梯度材料圓筒形和球形壓力容器在熱力耦合作用下的應力、應變和位移計算一般表達式，解決了當前通用應力計算公式誤差過大問題，並研究了該類複合材料壓力容器在壓力、溫度載荷下層間應力、熱殘餘應力及其結構承載特性之間的相互關係，提出諸如功能梯度材料塗層壓力容器、功能梯度材料“三明治”夾層結構壓力容器等多種新型結構壓力容器及其強度理論計算的一般表達式，同時基於數值和實驗方法驗證了所提出的相關理論正確性。最後以結構“最小壁厚”和“等安全裕度”為功能梯度材料壓力容器結構強度設計目標，基於“逆向設計法”構建了功能梯度複合材料壓力容器結構強度最佳化模型與設計方法，為該類複合材料壓力容器的規範化設計提供了強有力的理論依據和技術支持。