亞穩態奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能研究

林 靜，那 帥，唐偉東

（1.沈陽博帥材料科技有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.惠州學院電子信息與電氣工程學院，廣東 惠州 516007）

隨著近幾年經濟發展，在石油、核電、低溫工程等行業技術升級的帶動下，各行業對壓力容器及其配件的需求也在逐漸增長。緊固件是將二個或多個元件以機械方式固定或粘合在一起的機械元件，是應用最廣泛的機械基礎件，需求量很大，廣泛應用在各種機械、設備、車輛等上面。在壓力容器呈現大型化和使用條件更加苛化的趨勢下，奧氏體不銹鋼緊固件作為低溫容器[1]中的重要制作材料，奧氏體還具有很好的低溫沖擊韌性使其成為低溫工況下比較理想的使用材料。但是由于奧氏體不銹鋼的屈服強度和抗壓強度比值較低，在一定安全系數的前提下其應力值會比較小，經過這樣設計出來的壓力容器壁厚通常較大，導致材料的實際承載能力較低，并且還會導致壓力容器的重量加大、材料浪費等情況。因此，對奧氏體不銹鋼緊固件承載性能的研究十分有必要。

為保證亞穩態奧氏體不銹鋼緊固件具有良好的承載性能，從奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度、支撐軸力和轉動慣量這三方面對承載性能進行了研究，通過對奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能研究為實際應用提供一定的依據，具體研究如下所示。

1 奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能

1.1 支撐剛度

對于不銹鋼緊固件來說，支撐剛度對是承載性能的重要組成之一，其受到局部破壞壓力的影響嚴重。因此，由于有限元法[2]的非線性解釋和解決復雜模型的適配性，對不銹鋼緊固件的支撐剛度研究十分適用。為更好地對奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度分析，選取某公司生產的緊固件，對其進行分析，選取的試樣形狀尺寸如表1所示：

表1 試樣形狀尺寸

表1為選取的試樣形狀尺寸，以上述表的試樣形狀尺寸作為研究目標，因為其具有非線性特征，本構關系的準確性會直接影響到有限元分析結果，所以在進行分析時，輸入上述試樣真實的應力和對應的真實塑性應變、名義應力，對奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度進行計算，計算公式為：

公式（1）中，K(c,m)代表支撐剛度分析參數，l 代表真實應力，i代表名義應力，f代表所能承受的支撐剛度，此次計算不做定向分析。

通過上述公式得出奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度，并得出奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度應變曲線：

圖1 奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度應變曲線

如圖所示為奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度應變曲線，分析圖可知在奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能增加的過程中，有限元解逐漸降低，逐漸減小了塑性的升溫壓力[3]。分析得知，支撐剛度不斷提升時，有限元模型解也隨之提高，說明隨著徑比的增加，有限元解逐漸增大，支撐剛度也不斷增大，由此完成對奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度的分析，下一步對奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力進行分析。

1.2 支撐軸力

通過上述計算的奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度的基礎上，對奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力進行分析。在有限元求解出現不收斂情況時的鋼支撐軸力為該奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力，在求解結束后，獲得有限元求解的全應變隨符合變化的情況，鋼支撐軸力應變曲線如圖所示：

圖2 鋼支撐軸力真實應變曲線

圖2 為鋼支撐軸力真實應變曲線，根據應變情況，建立有限元模型，在本文建立的有限元模型中，應力情況最接近簡單平面應力部位為中間部位，以此分析是從高有限元模型中的端部提取數據，選取其中應變為1%到塑性失穩時的鋼支撐軸力應變數據點10 個左右，并把這些數據點的應變值進行記錄，從鋼支撐軸力的真實承載力找出這些對應點對應的真實承載能力，然后將承載能力代入公式中，計算公式為：

公式（2）中，Lh代表鋼支撐軸力點應變值[4]，代表真實鋼支撐軸力數據點，f代表公式處理因子，此次計算不做定向分析。

通過上述公式求出每個應變點的鋼支撐軸力的解析式值，然后就可以通過該鋼支撐軸力值與解析有限元求得的值進行比較，以此完成對奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力的分析，將在下一步對奧氏體不銹鋼緊固件的轉動慣量進行分析。

1.3 轉動慣量

通過分析奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度和奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力的基礎上，分析奧氏體不銹鋼緊固件的轉動慣量。首先對奧氏體不銹鋼緊固件的局部轉動慣量進行計算，因為其影響奧氏體不銹鋼緊固件承載壓力的重要因素，在對奧氏體不銹鋼緊固件的局部轉動慣量進行計算后，得出奧氏體不銹鋼緊固件轉動慣量受壓力和應變關系圖，如圖所示：

圖3 轉動慣量受壓力和應變關系圖

圖3 為轉動慣量受壓力和應變關系圖，由于奧氏體不銹鋼緊固件的轉動慣量性能較好，A點為奧氏體不銹鋼緊固件的轉動慣量壓力最大壓力點[5]，也就是奧氏體不銹鋼緊固件的轉動慣量所能承受的最大轉動慣量，即不銹鋼緊固件的轉動慣量失穩壓力點，AB則屬于爆破階段，此階段內的壓力突然急劇增大，使奧氏體不銹鋼緊固件的轉動慣量也相應有所減小，降到B點，把轉動慣量看做為爆破壓力，此時的轉動慣量變為奧氏體不銹鋼緊固件的實際轉動慣量，但是當奧氏體不銹鋼緊固件存在局部約束較大區域時，轉動慣量的斷裂應變變小，容易導致壓力容器發生局部破壞，這時C點所對應的局部轉動慣量為奧氏體不銹鋼緊固件的實際轉動慣量，因此通過上述過程得到奧氏體不銹鋼緊固件的實際轉動慣量：

公式中，Pdf為Pdf奧氏體不銹鋼緊固件的實際承載能力，g( k )代表轉動慣量[6]，Rt代表局部破壞壓力，此次計算不做定向分析。

通過上述過程完成對奧氏體不銹鋼緊固奧氏體不銹鋼緊固件的轉動慣量的分析，希望通過此次分析能夠為機械、設備、車輛等生產上面提供一定的幫助，更好的了解亞穩態奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能才能對亞穩態奧氏體不銹鋼緊固件合理運用。

2 結語

綜上所述，奧氏體不銹鋼緊固件在各個領域的應用非常廣泛，所以對其承載能力進行研究。本文主要從奧氏體不銹鋼緊固件的支撐剛度、奧氏體不銹鋼緊固件的鋼支撐軸力和奧氏體不銹鋼緊固件的轉動慣量這三方面對奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能進行了研究，研究發現，不同環境下的奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能有所不同。

通過分析奧氏體不銹鋼緊固件的承載性能，能夠將容器的應變強化階段的穿在能力進行模擬，會大大降低設計過程中容器局部發生破壞的發生率，一定程度上提高了容器的實際承載能力。希望通過此次研究，能夠為各個領域應用奧氏體不銹鋼緊固件提供一定的依據，以更好的對其應用，加深對奧氏體不銹鋼緊固件承載性能的了解，推動我國的發展。