含裂纹圆柱壳支承结构偏心受压失效与动态断裂性能分析
摘要
压力容器装置的安全运行是保证相关设备正常运行的关键，而支承结构完整性则是
保障压力容器安全运行的关键。压力容器支承结构形式为典型薄壁圆柱壳结构。由于薄
壁圆柱壳结构在制造、运输、安装和服役期间难免产生裂纹等缺陷，这将削弱支承结构
的极限承载力，影响设备安全稳定运行。因此，本文针对压力容器含裂纹支承结构，分
别对偏心受压和横向冲击工况下的结构进行屈曲、断裂分析，为评定、优化压力容器支
承结构的抗冲击性能提供分析依据。主要内容如下：
（1）通过准静态拉伸试验获取15MnTi钢材料的力学性能，包括弹性模量、屈服强
度以及极限强度；通过霍普金森压杆试验获取15MnTi钢在四种不同高应变率下的压缩
应力应变数据，从而确定15MnTi钢的Johnson-Cook动态本构模型参数。
（2）建立含裂纹圆柱壳支承结构模型，利用ABAQUS软件对支承结构进行偏心受
压屈曲分析。首先通过特征值屈曲分析得到含裂纹支承结构的屈曲模态，并将其作为初
始缺陷导入模型中。然后对结构进行非线性屈曲分析，并探讨缺陷幅值、载荷偏心度、
裂纹长度和裂纹位置高度对含裂纹支承结构临界屈曲载荷的影响。
（3）利用ABAQUS软件计算含裂纹支承结构在偏心受压载荷下裂纹尖端的J积分
值，并以此绘制裂纹驱动力评定图，从而获得含裂纹支承结构的断裂破坏载荷。将断裂
破坏载荷与临界屈曲载荷比较，从而最终确定结构的破坏模式以及极限载荷，并探讨载
荷偏心度、裂纹长度和裂纹位置高度对含裂纹支承结构极限载荷的影响。在此基础上基
于英国含缺陷结构验收标准BS7910的3C级评定，构建不同工况下含裂纹支承结构的
失效评定曲线。
（4）基于时域分析方法，利用ABAQUS软件对含裂纹支承结构在横向冲击载荷作
用下的动态断裂参数J积分进行分析。探讨在单三角波冲击载荷作用下，裂纹类型、裂
纹长度、裂纹位置、顶部配重对动态J积分的影响；然后基于德国规范BV043/85，探讨
在双三角波冲击载荷作用下，冲击方向、载荷幅值以及多向冲击对动态J积分的影响。
最后对横向冲击载荷作用下的含裂纹支承结构进行抗冲击优化分析，选取不同截面类型
和数量的轴向加劲肋作为外部抗冲击优化方案，对比分析不同优化方案对支承结构裂纹
尖端J积分的影响。
关键词：含裂纹支承结构；偏心受压；横向冲击；极限载荷；失效分析
含裂纹圆柱壳支承结构偏心受压失效与动态断裂性能分析
Abstract
Thesafeoperationofthepressurevesseldevicesiscrucialtoensurethenormaloperation
ofrelevantequipment,andtheintegrityofthesupportingstructureiskeytoguaranteeingthe
safeoperationofthepressurevessel.Thesupportingstructureofpressurevesselisatypical
thin-walledcylindricalshellstructure.However,thethin-walledcylindricalshellstructureis
inevitablysubjecttodefectssuchascracksduringmanufacturing,transportation,installation,
andservice,whichwillweakentheultimatebearingcapacityofthesupportingstructureand
affectthesafeandstableoperationoftheequipment.Therefore,thispaperfocusesonthe
bucklingandfractureanalysisofthecrackedsu