بخشی از مقاله
خلاصه
تحلیل بار حدی مخازن استوانهای جدار ضخیم بدون عیب که در معرض فشار داخلی و یا بارگذاری مرکب از فشار داخلی و نیروی محوری هستند، به طور معمول بخشی از روشهای ارزیابی ایمنی سازهای این مخازن میباشد. علاوه بر این شرایط محیطی یا آسیبهای اتفاقی منجر به پدید آمدن عیوب سطحی میشود که این امر ظرفیت تحمل بار سازه را تغییر میدهد.
این مقاله میکوشد تا با تحلیل عددی بار حدی، تاثیر عیوب سطحی نظیر ترکهای سطحی از نوع طولی، محیطی و بیضی شکل را بر روی بار حدی سیلندرها نشان دهد. برای مدلسازی و تحلیل المان محدود از نرمافزار ABAQUS استفاده شده است. در انتها تاثیر ترکهای مذکور بر استحکام سیلندر مورد بررسی قرار گرفته است.
.1 مقدمه
مقدار بار حدی یکی از مهمترین ورودیها برای ارزیابی ایمنی سازهای [1] میباشد، زیرا مقادیر بار حدی مستقیماً بر نتایج ارزیابی شکست و فروپاشی پلاستیک قطعه تاثیر میگذارد. وجود ترک در یک مخزن میتواند منجر به نشتی، شکستگی و یا از کار افتادگی آن شود. در نتیجه، طراحی، نصب و نگهداری مناسب از مخزن برای جلوگیری از ایجاد ترک، امری بسیار ضروری میباشد . تحلیل بار حدی مخازن استوانهای جدارضخیم بدون عیب که در معرض فشار داخلی و یا بارگذاری مرکب از فشار داخلی و نیروی محوری هستند، به طور معمول بخشی از روشهای ارزیابی ایمنی سازهای این مخازن است. علاوه بر این شرایط محیطی یا آسیبهای اتفاقی از قبیل جوشکاری و شوکهای حرارتی منجر به پدید آمدن عیوب سطحی میشود که این امر ظرفیت تحمل بار سازه را تغییر میدهد.
بسیاری از محققان بارهای حدی سیلندرها با ترکهای محوری را تحت انواع بارگذاری و ترکیب بارگذاریها مطالعه کردهاند. اینسورس [3] روابط مربوط به بار حدی یک مخزن بدون ترک و تحت بارهای فشاری، کششی و خمشی را تعیین نموده است. کیم و همکارانش [4] در سال 2002 بارهای حدی را برای سیلندرهایی با ترکهای سطحی محیطی با استفاده از روش المان محدود FEM بدست آوردهاند، اما حل پیشنهاد شده ممکن است برای سیلندرهای جدار ضخیم بکار برده نشود زیرا سیلندرهایی که آنها تحلیل کردهاند به اندازه کافی در مقایسه با شعاع آنها ضخیم نبودهاند.
هیتزر و همکارانش [5] برای انواع هندسه، مکان و ابعاد ترکهای سراسری و محدود، و برای مخازن جدار ضخیم تحت بار ترکیبی،با فرض رفتار پلاستیک کامل ماده و مدلسازی سه بعدی در المان محدود، بار حدی آنها را تعیین کرده و با بعضی پاسخ-های تحلیلی مقایسه نمودهاند.
لی و بادن [6] بار حدی استوانه جدار نازک با ترک سراسری محیطی و تحت بار ترکیبی را با استفاده از معیار فونمیسز بدست آورده و آن را با نتایج المان محدود مقایسه کردهاند. همچنین ژائو و همکارانش [7] روابط تحلیلی مربوط به بار حدی برای ترکهای محیطی در مخازن جدار ضخیم تحت فشار داخلی و بار کششی را تعیین کرده و با حل تحلیلی مقایسه نمودهاند.
لی [8] حلهای موجود مربوط به بار حدی مخازن با ترک محوری را تعیین کرده و مانند دیگران با پاسخ المان محدود مقایسه نمودهاند؛ همچنین وی یک روش جدید برای تعیین بار حدی مخازن تحت فشار مشخص کرده تا اشکالات روشهای قبلی را برطرف نماید.
لی [9] بار حدی عمومی برای مخازن جدار ضخیم با ترک های سطحی خارجی و داخلی تحت بارهای محوری - مثبت و منفی - و فشار داخلی را بر اساس معیار تسلیم فون مایسز بدست آوردند. حل های بدست آمده با استفاده از تحلیل های المان محدود مواد الاستیک پلاستیک کامل در Part II این مقاله [9] اعتبارسنجی شده است. در این مقاله نمودارهای بار حدی برای نسبت های مختلف شعاع خارجی به شعاع داخلی، نسبت عمق ترک به ضخامت دیواره مخزن و طول ترک به قطر بدست آمده است.
در این مقاله سعی شده است تاثیر انواع و ابعاد گوناگون ترک شامل ترکهای محوری، محیطی و بیضی شکل بررسی گردد. ترکهای محوری و محیطی میتوانند به شکل سراسری، محدود، داخلی و خارجی با اندازههای متفاوت باشند. بار حدی مخازن جدار ضخیم تحت بار ترکیبی فشار داخلی و نیروی محوری به روش المان محدود بررسی میشود. برای مدلسازی و تحلیل المان محدود از نرمافزار ABAQUS استفاده گردیده است.
.2 تعریف مسئله
تحلیل المان محدود برای سیلندرهای بدون ترک و ترکدار به منظور مقایسه با روشهای تحلیلی و معتبرسازی روش المان محدود، انجام شده است. بار حدی مخزن در حالتهای مختلف ترک بصورت مقادیر نرمالیزه شده با مقدار بار حدی مخزن بدون ترک ارائه می شود. ماده بصورت الاستیک -پلاستیک کامل در نظر گرفته شده است. سایر ویژگیهای هندسی و خواص ماده در جدول 1 آورده شده است.
در مخازن، ترک می تواند در راستای محور استوانه و یا بصورت محیطی در پوسته داخلی و یا خارجی ایجاد شود. در عمل ترک ها میتوانند به دو شکل نامحدود - سرتاسری - و محدود - دارای اندازه مشخص - و با عمقهای مختلف در راستای درز جوش باشند. انواع ترکهای مورد بررسی در شکل 1 و مشخصات هندسی متناظر با آن در شکل - 2 - آورده شده است. مجموع حالتهای مورد بررسی 80 حالت میباشد.
جدول -1 هندسه لوله و خواص ماده
که Ri شعاع داخلی مخزن، Ro شعاع خارجی مخزن، t ضخامت مخزن، B طول مخزن، E مدول الاستیسیته، نسبت پواسون و y تنش تسلیم ماده میباشد.
شکل -1 نمودار انواع ترکهای مورد بررسی
شکل - 2 هندسه انواع ترک در استوانه
در شکل a 2 عمق ترک، L طول ترک و اندازه زاویه ترک در ترک های محیطی می باشد.
