一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法、装置及设备

1.本发明涉及工业工程领域，尤其是一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法、装置及设备。


背景技术：

2.作为高温设备中最重要的构件之一，高温金属管具有多种优良的性能得以广泛应用在化工工程等领域。高温金属管服役过程中的环境极其恶劣，长时间服役极易产生蠕变、腐蚀等损伤，导致管道的强度和稳定性急剧下降。
3.然而在非常长的金属管道中屈曲传播的现象表明，一旦发生屈曲，圆柱壳会立即坍塌，承载能力大大降低。但现有技术大多考虑结构方面的蠕变，缺乏对材料受蠕变影响的计算分析。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法、装置及设备，以计算金属管受材料影响的蠕变屈曲的临界载荷值。
5.本发明的一方面提供了一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法，包括：
6.获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数；
7.获取所述金属管工作环境的伺服温度和伺服时间；
8.根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数；
9.根据所述几何参数和所述第二材料参数确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值。
10.可选地，所述获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数，包括：
11.获取所述金属管的半径、长度以及管壁厚度；
12.获取所述金属管未蠕变屈曲前的杨氏模量和泊松比。
13.可选地，所述根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数，包括：
14.根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比。
15.可选地，所述根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比，包括：
16.获取塑性力学全量理论表达式，并根据所述塑性力学全量理论表达式确定所述金属管的薄壁圆柱壳属性关系式；
17.获取胡克定律表达式、蠕变应变计算表达式以及所述金属管的蠕变本构模型表达式；
18.根据所述金属管的半径和长度、所述金属管未蠕变屈曲前的杨氏模量和泊松比、
所述伺服温度、所述伺服时间、所述薄壁圆柱壳属性关系式、所述胡克定律表达式、所述蠕变应变计算表达式以及所述蠕变本构模型表达式，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比；
19.所述塑性力学全量理论表达式包括：
[0020][0021][0022]
其中，σ是等效应力，σ
ij
是应力沿空间坐标系各个方向的分量；ε是等效应变，ε
ij
是应变沿空间坐标系各个方向的分量；s
ij
是应力偏张量；
[0023]
所述薄壁圆柱壳属性关系式包括：
[0024][0025]
其中，
[0026]
所述胡克定律表达式包括：
[0027][0028]
其中，e是未蠕变屈曲前的杨氏模量，v是未蠕变屈曲前的泊松比；
[0029]
所述蠕变应变计算表达式为：
[0030][0031]
其中，是弹性应变，是塑性应变；
[0032]
所述蠕变本构模型表达式为：
[0033]
ε＝σnω(t,t)
[0034]
其中n和ω(t,t)是所述第一材料参数，σ＝qr/h，q是所述临界载荷值，r是所述金属管的半径，h是所述金属管的管壁厚度；
[0035]
根据上述各个表达式得到：
[0036][0037]
其中，ec(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量，νc(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的泊松比。
[0038]
可选地，所述根据所述几何参数和所述第二材料参数确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值，包括：
[0039]
获取非浅圆柱壳的屈曲控制方程表达式；
[0040]
获取基于所述金属管两端简支的边界条件确定的屈曲位移函数表达式；
[0041]
根据所述屈曲控制方程表达式、所述屈曲位移函数表达式、所述几何参数以及所
述第二材料参数，确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值；
[0042]
所述屈曲控制方程表达式为：
[0043][0044][0045][0046]
其中，n
ij
是所述金属管的薄膜内力，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗弯刚度，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗拉刚度；
[0047]
所述屈曲位移函数表达式为：
[0048]
u＝f
1 cosαx sinβy
[0049]
v＝f
2 sinαx cosβy
[0050]
w＝f sinαx sinβy
[0051]
其中，α＝ml/π,β＝k/r，其中k是y方向上的半波数，m是x方向上的模态参数；f1、f2、f分别是三个方向上位移u、v、w的幅度系数，且f1、f2、f为待定系数；
[0052]
所述临界载荷值q的表达式为：
[0053][0054]
θ＝kl/mπr，l是所述金属管的长度，m＝1，k≥2且为整数，当k使q取极值时，该k值为对应工况下的屈曲模态参数。
[0055]
本发明的另一方面还提供了一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算装置，包括：
[0056]
第一单元，用于获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数；
[0057]
第二单元，用于获取所述金属管工作环境的伺服温度和伺服时间；
[0058]
第三单元，用于根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数；
[0059]
第四单元，用于根据所述几何参数和所述第二材料参数确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值。
[0060]
可选地，所述第三单元包括第三子单元，所述第三子单元用于：
[0061]
获取塑性力学全量理论表达式，并根据所述塑性力学全量理论表达式确定所述金属管的薄壁圆柱壳属性关系式；
[0062]
获取胡克定律表达式、蠕变应变计算表达式以及所述金属管的蠕变本构模型表达式；
[0063]
根据所述金属管的半径和长度、所述金属管未蠕变屈曲前的杨氏模量和泊松比、所述伺服温度、所述伺服时间、所述薄壁圆柱壳属性关系式、所述胡克定律表达式、所述蠕变应变计算表达式以及所述蠕变本构模型表达式，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比；
[0064]
所述塑性力学全量理论表达式包括：
[0065][0066][0067]
其中，σ是等效应力，σ
ij
是应力沿空间坐标系各个方向的分量；ε是等效应变，ε
ij
是应变沿空间坐标系各个方向的分量；s
ij
是应力偏张量；
[0068]
所述薄壁圆柱壳属性关系式包括：
[0069][0070]
其中，
[0071]
所述胡克定律表达式包括：
[0072][0073]
其中，e是未蠕变屈曲前的杨氏模量，v是未蠕变屈曲前的泊松比；
[0074]
所述蠕变应变计算表达式为：
[0075][0076]
其中，是弹性应变，是塑性应变；
[0077]
所述蠕变本构模型表达式为：
[0078]
ε＝σnω(t,t)
[0079]
其中n和ω(t,t)是所述第一材料参数，σ＝qr/h，q是所述临界载荷值，r是所述金属管的半径，h是所述金属管的管壁厚度；
[0080]
根据上述各个表达式得到：
[0081][0082]
其中，ec(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量，νc(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的泊松比。
[0083]
可选地，所述第四单元包括第四子单元，所述第四子单元用于：
[0084]
获取非浅圆柱壳的屈曲控制方程表达式；
[0085]
获取基于所述金属管两端简支的边界条件确定的屈曲位移函数表达式；
[0086]
根据所述屈曲控制方程表达式、所述屈曲位移函数表达式、所述几何参数以及所述第二材料参数，确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值；
[0087]
所述屈曲控制方程表达式为：
[0088][0089][0090][0091]
其中，n
ij
是所述金属管的薄膜内力，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗弯刚度，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗拉刚度；
[0092]
所述屈曲位移函数表达式为：
[0093]
u＝f
1 cosαx sinβy
[0094]
v＝f
2 sinαx cosβy
[0095]
w＝f sinαx sinβy
[0096]
其中，α＝ml/π,β＝k/r，其中k是y方向上的半波数，m是x方向上的模态参数；f1、f2、f分别是三个方向上位移u、v、w的幅度系数，且f1、f2、f为待定系数；
[0097]
所述临界载荷值q的表达式为：
[0098][0099]
θ＝kl/mπr，l是所述金属管的长度，m＝1，k≥2且为整数，当k使q取极值时，该k值为对应工况下的屈曲模态参数。
[0100]
本发明的另一方面还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
[0101]
所述存储器用于存储程序；
[0102]
所述处理器执行所述程序实现所述的方法。
[0103]
本发明的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现所述的方法。
[0104]
本发明还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。电子设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该电子设备
执行上述的方法。
[0105]
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
[0106]
本发明再计算过程中引入伺服温度和伺服时间，长期服役致使金属管原材料的材料参数的数值降低，通过本发明可以直接得到金属管发生蠕变屈曲后材料参数的数值变化，简化了计算过程；本发明相比于现有蠕变分析，从材料损伤(蠕变屈曲)的角度考虑，在高温和外压作用下，将高温环境下金属管的蠕变屈曲过程视为两个阶段，包括蠕变屈曲前和蠕变屈曲后两个阶段，且第二阶段蠕变屈曲的材料性能为第一阶段蠕变屈曲后的材料性能，从而可以获得金属管在蠕变屈曲后精确的临界屈曲载荷，进而本发明可以对蠕变屈曲分析提供更精确的预测。
附图说明
[0107]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0108]
图1为本发明实施例提供的一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法的流程示意图；
[0109]
图2为本发明实施例提供的一种圆柱形壳体后屈曲阶段的经典荷载与挠度曲线图；
[0110]
图3为本发明实施例提供的一种临界载荷随伺服时间变化曲线图；
[0111]
图4为本发明实施例提供的一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算装置的结构框图；
[0112]
图5为本发明实施例提供的一种电子设备的结构框图。
具体实施方式
[0113]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0114]
需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0115]
说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0116]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，
不是旨在限制本发明。
[0117]
参照图1，本发明实施例提供了一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法，包括步骤s100至步骤s130，具体如下：
[0118]
s100：获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数。
[0119]
具体的，该几何参数可以是伺服金属管的几何参数，即工程环境中金属管的几何参数。而金属管未蠕变屈曲前的材料参数作为第一材料参数。
[0120]
进一步地，获取金属管的几何参数可以包括：获取所述金属管的半径、长度以及管壁厚度。
[0121]
进一步地，获取未蠕变屈曲前的第一材料参数可以包括：获取所述金属管未蠕变屈曲前的杨氏模量和泊松比。
[0122]
s110：获取所述金属管工作环境的伺服温度和伺服时间。
[0123]
具体的，伺服温度可以是指金属管在高温工作下周围环境的温度值或金属管本省的温度值。私服时间可以是指金属管在高温环境下的工作时间。
[0124]
s120：根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数。
[0125]
进一步地，s120可以包括：
[0126]
根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比。
[0127]
作为更进一步的实施方式，上述步骤可以包括：
[0128]
获取塑性力学全量理论表达式，并根据所述塑性力学全量理论表达式确定所述金属管的薄壁圆柱壳属性关系式；
[0129]
获取胡克定律表达式、蠕变应变计算表达式以及所述金属管的蠕变本构模型表达式；
[0130]
根据所述金属管的半径和长度、所述金属管未蠕变屈曲前的杨氏模量和泊松比、所述伺服温度、所述伺服时间、所述薄壁圆柱壳属性关系式、所述胡克定律表达式、所述蠕变应变计算表达式以及所述蠕变本构模型表达式，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比；
[0131]
所述塑性力学全量理论表达式包括：
[0132][0133][0134]
其中，σ是等效应力，σ
ij
是应力沿空间坐标系各个方向的分量；ε是等效应变，ε
ij
是应变沿空间坐标系各个方向的分量；s
ij
是应力偏张量；
[0135]
所述薄壁圆柱壳属性关系式包括：
[0136]
[0137]
其中，
[0138]
所述胡克定律表达式包括：
[0139][0140]
其中，e是未蠕变屈曲前的杨氏模量，v是未蠕变屈曲前的泊松比；
[0141]
所述蠕变应变计算表达式为：
[0142][0143]
其中，是弹性应变，是塑性应变；
[0144]
所述蠕变本构模型表达式为：
[0145]
ε＝σnω(t,t)
[0146]
其中n和ω(t,t)是所述第一材料参数，σ＝qr/h，q是所述临界载荷值，r是所述金属管的半径，h是所述金属管的管壁厚度；
[0147]
根据上述各个表达式得到：
[0148][0149]
其中，ec(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量，νc(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的泊松比。
[0150]
s130：根据所述几何参数和所述第二材料参数确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值。
[0151]
具体的，根据上述获得的金属管的半径、长度以及管壁厚度，并根据金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比确定金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值。
[0152]
进一步地，s120的实施方式可以包括：
[0153]
获取非浅圆柱壳的屈曲控制方程表达式；
[0154]
获取基于所述金属管两端简支的边界条件确定的屈曲位移函数表达式；
[0155]
根据所述屈曲控制方程表达式、所述屈曲位移函数表达式、所述几何参数以及所述第二材料参数，确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值；
[0156]
所述屈曲控制方程表达式为：
[0157][0158][0159]
[0160]
其中，n
ij
是所述金属管的薄膜内力，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗弯刚度，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗拉刚度；
[0161]
所述屈曲位移函数表达式为：
[0162]
u＝f
1 cosαx sinβy
[0163]
v＝f
2 sinαx cosβy
[0164]
w＝f sinαx sinβy
[0165]
其中，α＝ml/π,β＝k/r，其中k是y方向上的半波数，m是x方向上的模态参数；f1、f2、f分别是三个方向上位移u、v、w的幅度系数，且f1、f2、f为待定系数；
[0166]
所述临界载荷值q的表达式为：
[0167][0168]
θ＝kl/mπr，l是所述金属管的长度，m＝1，k≥2且为整数，当k使q取极值时，该k值为对应工况下的屈曲模态参数。
[0169]
接下来将在实际工程环境下说明本发明的应用过程，具体包括以下步骤：
[0170]
s1、获取测量得到的高温金属管的几何参数以及金属管的材料参数，几何参数包括金属管的半径r、管长l和管壁厚h，材料参数包括弹性模量e和泊松比ν；
[0171]
s2、获取测量得到的金属管工作环境的伺服温度t和伺服时间t；
[0172]
s3、基于金属管材料的蠕变本构模型，获取金属管蠕变损伤后的材料性能参数：
[0173]
获取塑性力学全量理论表达式：
[0174][0175][0176]
其中，σ是等效应力，σ
ij
是应力沿空间坐标系各个方向的分量；ε是等效应变，ε
ij
是应变沿空间坐标系各个方向的分量；s
ij
是应力偏张量；
[0177]
根据薄壁圆柱壳属性得到以下表达式：
[0178][0179]
其中，
[0180]
获取胡克定律表达式：
[0181][0182]
获取蠕变应变计算表达式：
[0183][0184]
其中，是弹性应变，是塑性应变；
[0185]
获取金属管材料的蠕变本构模型表达式：
[0186]
ε＝σnω(t,t)
[0187]
其中，n和ω(t,t)是材料参数，σ＝qr/h。
[0188]
根据上述各个表达式，确定在高温环境下，金属管发生蠕变时材料损伤后的杨氏模量和泊松比ec(t,t)和νc(t,t)：
[0189][0190]
s4、计算该高温金属管发生蠕变屈曲时的临界载荷值：
[0191]
对于半径为r的圆柱壳体，当径向发生大变形w时其径向随之会产生增量，且不可忽略，导致壳体的初试曲率发生了改变。
[0192]
可选地，本发明实施例可以考虑初始曲率影响，获取非浅圆柱壳的屈曲控制方程表达式：
[0193][0194][0195][0196]
其中n
ij
是所述金属管的薄膜内力，是金属管损伤后的薄膜抗弯刚度，是金属管损伤后的薄膜抗拉刚度。
[0197]
当金属管的圆柱壳受外部压力作用时，圆柱壳从前屈曲平衡态变形为后屈曲平衡态。图2显示了圆柱形壳体后屈曲阶段的经典荷载与挠度曲线。由图2可以看出，圆柱形壳体的承载能力急剧下降，即一旦发生屈曲，外壳就会立即坍塌。此外，整个崩溃的过程是瞬间完成的，而不是在一段时间内逐渐完成的。因此，圆柱形壳体的蠕变变形只发生在前屈曲阶段，而不发生在后屈曲阶段。因此，本发明实施例可以忽略金属管后屈曲阶段的蠕变变形。
[0198]
基于金属管两端简支的边界条件，获取屈曲位移函数表达式：
[0199]
u＝f
1 cosαxsinβy
[0200]
v＝f
2 sinαxcosβy
[0201]
w＝fsinαxsinβy
[0202]
其中α＝ml/π,β＝k/r，其中k是y方向上的半波数，m是x方向上的模态参数。式中的f1、f2、f分别是三个方向上位移u、v、w的幅度系数，且f1、f2、f为待定系数，可以通过运算得到f、f1、f2相关的关系式，以便于函数特征值的求解。
[0203]
基于控制方程表达式、屈曲位移函数表达式和s3中获得的损伤后的材料参数，获取高温金属管发生蠕变屈曲时的临界载荷值q：
[0204][0205]
其中θ＝kl/mπr(m＝1，k≥2且为整数，当k使q取极值时，该k值为此工况下的屈曲模态参数)。
[0206]
本发明实施例可以预测工业工程中高温金属管蠕变屈曲的临界载荷值，根据临界载荷值可以评估金属的承载能力，避免高温高压环境下管道蠕变屈曲的引发的安全事故，提高了工程中对高温金属管的监测分析效率。
[0207]
为了更具体地描述本发明的实际应用，接下来将提供另一个实施例，以进行进一步的详细说明。
[0208]
1、本实施例公开了一种基于薄壳理论和蠕变陈化理论，考虑伺服温度和伺服时间影响的高温金属管蠕变的屈曲载荷计算方法。
[0209]
具体的，本发明实施例可以以a149钢的金属管作为计算用的金属管，首先，获取高温金属管的几何参数以及确定金属管道的材料参数，几何参数包括金属管道的半径r、管长l、壁厚h，材料参数包括弹性模量e和泊松比ν，可选地，可以得到r＝0.075m，h＝7.5mm，l＝0.30m，e＝171.561gpa，v＝0.3。
[0210]
2、获取金属管工作环境的伺服温度t和伺服时间t。
[0211]
3、确定金属管材料的蠕变本构模型，计算在高温环境下，金属管发生蠕变时材料损伤后的杨氏模量和泊松比ec(t,t)和νc(t,t)：
[0212]
获取塑性力学全量理论表达式：
[0213][0214][0215]
其中，σ是等效应力，σ
ij
是应力沿空间坐标系各个方向的分量；ε是等效应变，ε
ij
是应变沿空间坐标系各个方向的分量；s
ij
是应力偏张量；
[0216]
结合薄壁圆柱壳属性，得到：
[0217]
[0218]
其中，获取胡克定律表达式：
[0219][0220]
获取蠕变应变计算表达式：
[0221][0222]
其中是弹性应变，是塑性应变；
[0223]
获取金属管材料的蠕变本构模型表达式：
[0224]
ε＝atbσn[0225]
其中，上述各项有以下关系：
[0226][0227]
b＝-1.1+0.0035
×
t
[0228]
n＝2.1+0.0064
×
t
[0229][0230]
根据上述格式得到：
[0231][0232]
4、计算高温金属管发生蠕变屈曲时的临界载荷值：
[0233]
考虑初始曲率影响，获取非浅圆柱壳的屈曲控制方程表达式：
[0234][0235][0236][0237]
其中n
ij
是所述金属管的薄膜内力，是损伤后的薄膜抗弯刚度，是损伤后的薄膜抗拉刚度。
[0238]
基于金属管两端简支的边界条件，获取屈曲位移函数表达式：
[0239]
u＝f
1 cosαxsinβy
[0240]
v＝f
2 sinαxcosβy
[0241]
w＝fsinαxsinβy
[0242]
其中α＝ml/π,β＝k/r，其中k是y方向上的半波数，m是x方向上的模态参数。式中的f1、f2、f分别是三个方向上位移u、v、w的幅度系数，且f1、f2、f为待定系数。
[0243]
基于控制方程、屈曲位移函数和步骤3中获得的损伤后的材料参数，获取到高温金属管发生蠕变屈曲时的临界载荷值q：
[0244][0245]
其中θ＝kl/mπr(m＝1，k≥2且为整数，当k使q取极值时，该k值为此工况下的屈曲模态参数)。
[0246]
5、预测该高温金属管的蠕变屈曲载荷的计算公式，用于评估金属管的承载能力：
[0247]
根据高温金属管受外压作用的蠕变屈曲载荷计算方法可得到a149钢金属管在不同温度和不同径厚比情况下，临界载荷值，可绘制如图3所示的临界载荷随伺服时间变化曲线。基于该数据可评估金属管的承载能力，通过图3可以看出，随着伺服时间的延长，蠕变屈曲载荷值急剧下降，高温下的蠕变变形远远大于弹性变形，因此在相同的外力作用下，高温环境下的总变形远远超过室温下的变形，同时也证明了高温蠕变对金属管的破坏影响很大。
[0248]
综上所述，本实施例公开的一种基于薄壳理论和蠕变陈化理论，考虑伺服温度和伺服时间影响的高温金属管受外压作用的蠕变屈曲载荷计算方法，相比于现有技术，考虑蠕变过程中管道材料的损伤，长期服役致使金属管原材料的弹性模量及泊松比降低，给出更精确的预测；同时，根据塑性力学的全量理论，分析建立金属管蠕变情况下应力-应变本构关系，并直接给出预估蠕变屈曲的临界载荷简便计算公式，简化计算过程。
[0249]
参照图4，本发明实施例提供了一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算装置，包括：
[0250]
第一单元，用于获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数；
[0251]
第二单元，用于获取所述金属管工作环境的伺服温度和伺服时间；
[0252]
第三单元，用于根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数；
[0253]
第四单元，用于根据所述几何参数和所述第二材料参数确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值。
[0254]
该计算装置的具体实施方式与上述计算方法的具体实施例基本相同，在此不再赘述。
[0255]
本发明实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述计算方法。该电子设备可以为包括平板电脑、车载电脑等任意智能终端。
[0256]
具体地，电子设备可以是用户终端，也可以是服务器。
[0257]
本发明实施例以电子设备是用户终端为例，具体如下：
[0258]
如图5所示，电子设备500可以包括rf(radio frequency，射频)电路510、包括有一个或一个以上计算机可读存储介质的存储器520、输入单元530、显示单元540、传感器550、音频电路560、短距离无线传输模块570、包括有一个或者一个以上处理核心的处理器580、以及电源590等部件。本领域技术人员可以理解，图5中示出的设备结构并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0259]
rf电路510可用于收发信息或通话过程中，信号的接收和发送，特别地，将基站的下行信息接收后，交由一个或者一个以上处理器580处理；另外，将涉及上行的数据发送给基站。通常，rf电路510包括但不限于天线、至少一个放大器、调谐器、一个或多个振荡器、用户身份模块(sim)卡、收发信机、耦合器、lna(low noise amplifier，低噪声放大器)、双工器等。此外，rf电路510还可以通过无线通信与网络和其他设备通信。无线通信可以使用任一通信标准或协议，包括但不限于gsm(global system of mobile communication，全球移动通讯系统)、gprs(general packet radio service，通用分组无线服务)、cdma(code division multiple access，码分多址)、wcdma(wideband code division multiple access,宽带码分多址)、lte(long term evolution,长期演进)、电子邮件、sms(short messaging service，短消息服务)等。
[0260]
存储器520可用于存储软件程序以及模块。处理器580通过运行存储在存储器520的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器520可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据设备500的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器520可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。相应地，存储器520还可以包括存储器控制器，以提供处理器580和输入单元530对存储器520的访问。虽然图5示出了rf电路510，但是可以理解的是，其并不属于设备500的必须构成，完全可以根据需要在不改变发明的本质的范围内而省略。
[0261]
输入单元530可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与用户设置以及功能控制有关的键盘、鼠标、操作杆、光学或者轨迹球信号输入。具体地，输入单元530可包括触敏表面531以及其他输入设备532。触敏表面531，也称为触摸显示屏或者触控板，可收集用户在其上或附近的触摸操作(比如用户使用手指、触笔等任何适合的物体或附件在触敏表面531上或在触敏表面531附近的操作)，并根据预先设定的程式驱动相应的连接装置。可选的，触敏表面531可包括触摸检测装置和触摸控制器两个部分。其中，触摸检测装置检测用户的触摸方位，并检测触摸操作带来的信号，将信号传送给触摸控制器；触摸控制器从触摸检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给处理器580，并能接收处理器580发来的命令并加以执行。此外，可以采用电阻式、电容式、红外线以及表面声波等多种类型实现触敏表面531。除了触敏表面531，输入单元530还可以包括其他输入设备532。具体地，其他输入设备532可以包括但不限于物理键盘、功能键(比如音量控制按键、开关按键等)、轨迹球、鼠标、操作杆等中的一种或多种。
[0262]
显示单元540可用于显示由用户输入的信息或提供给用户的信息以及控制500的各种图形用户接口，这些图形用户接口可以由图形、文本、图标、视频和其任意组合来构成。
显示单元540可包括显示面板541，可选的，可以采用lcd(liquid crystal display，液晶显示器)、oled(organic light-emitting diode,有机发光二极管)等形式来配置显示面板541。进一步的，触敏表面531可覆盖在显示面板541之上，当触敏表面531检测到在其上或附近的触摸操作后，传送给处理器580以确定触摸事件的类型，随后处理器580根据触摸事件的类型在显示面板541上提供相应的视觉输出。虽然在图5中，触敏表面531与显示面板541是作为两个独立的部件来实现输入和输入功能，但是在某些实施例中，可以将触敏表面531与显示面板541集成而实现输入和输出功能。
[0263]
电子设备500还可包括至少一种传感器550，比如光传感器、运动传感器以及其他传感器。具体地，光传感器可包括环境光传感器及接近传感器，其中，环境光传感器可根据环境光线的明暗来调节显示面板541的亮度，接近传感器可在设备500移动到耳边时，关闭显示面板541和/或背光。作为运动传感器的一种，重力加速度传感器可检测各个方向上(一般为三轴)加速度的大小，静止时可检测出重力的大小及方向，可用于识别手机姿态的应用(比如横竖屏切换、相关游戏、磁力计姿态校准)、振动识别相关功能(比如计步器、敲击)等；至于设备500还可配置的陀螺仪、气压计、湿度计、温度计、红外线传感器等其他传感器，在此不再赘述。
[0264]
音频电路560、扬声器561，传声器562可提供用户与设备500之间的音频接口。音频电路560可将接收到的音频数据转换后的电信号，传输到扬声器561，由扬声器561转换为声音信号输出；另一方面，传声器562将收集的声音信号转换为电信号，由音频电路560接收后转换为音频数据，再将音频数据输出处理器580处理后，经rf电路510以发送给另一控制设备，或者将音频数据输出至存储器520以便进一步处理。音频电路560还可能包括耳塞插孔，以提供外设耳机与设备500的通信。
[0265]
短距离无线传输模块570可以是wifi(wireless fidelity，无线保真)模块、蓝牙模块或红外线模块等。设备500通过短距离无线传输模块570可以与对战设备上设置的无线传输模块进行信息的传输。
[0266]
处理器580是设备500的控制中心，利用各种接口和线路连接整个控制设备的各个部分，通过运行或执行存储在存储器520内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器520内的数据，执行设备500的各种功能和处理数据，从而对控制设备进行整体监控。可选的，处理器580可包括一个或多个处理核心；可选的，处理器580可集成应用处理器和调制解调处理器，其中，应用处理器主要处理操作系统、用户界面和应用程序等，调制解调处理器主要处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调处理器也可以不集成到处理器550中。
[0267]
设备500还包括给各个部件供电的电源590(比如电池)，优选的，电源可以通过电源管理系统与处理器580逻辑相连，从而通过电源管理系统实现管理充电、放电、以及功耗管理等功能。电源590还可以包括一个或一个以上的直流或交流电源、再充电系统、电源故障检测电路、电源转换器或者逆变器、电源状态指示器等任意组件。
[0268]
尽管未示出，设备500还可以包括摄像头、蓝牙模块等，在此不再赘述。
[0269]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述计算方法。
[0270]
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态
存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0271]
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。电子设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该电子设备执行图1所示的方法。
[0272]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0273]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0274]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0275]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0276]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(ram)、只读存储器
(rom)、可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0277]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0278]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0279]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0280]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法，其特征在于，包括：获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数；获取所述金属管工作环境的伺服温度和伺服时间；根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数；根据所述几何参数和所述第二材料参数确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值。2.根据权利要求1所述的一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法，其特征在于，所述获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数，包括：获取所述金属管的半径、长度以及管壁厚度；获取所述金属管未蠕变屈曲前的杨氏模量和泊松比。3.根据权利要求2所述的一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法，其特征在于，所述根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数，包括：根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比。4.根据权利要求3所述的一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法，其特征在于，所述根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比，包括：获取塑性力学全量理论表达式，并根据所述塑性力学全量理论表达式确定所述金属管的薄壁圆柱壳属性关系式；获取胡克定律表达式、蠕变应变计算表达式以及所述金属管的蠕变本构模型表达式；根据所述金属管的半径和长度、所述金属管未蠕变屈曲前的杨氏模量和泊松比、所述伺服温度、所述伺服时间、所述薄壁圆柱壳属性关系式、所述胡克定律表达式、所述蠕变应变计算表达式以及所述蠕变本构模型表达式，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比；所述塑性力学全量理论表达式包括：所述塑性力学全量理论表达式包括：其中，σ是等效应力，σ
ij
是应力沿空间坐标系各个方向的分量；ε是等效应变，ε
ij
是应变沿空间坐标系各个方向的分量；s
ij
是应力偏张量；所述薄壁圆柱壳属性关系式包括：其中，所述胡克定律表达式包括：
其中，e是未蠕变屈曲前的杨氏模量，v是未蠕变屈曲前的泊松比；所述蠕变应变计算表达式为：其中，是弹性应变，是塑性应变；所述蠕变本构模型表达式为：ε＝σ
n
ω(t,t)其中，n和ω(t,t)是所述第一材料参数，σ＝qr/h，q是所述临界载荷值，r是所述金属管的半径，h是所述金属管的管壁厚度；根据上述各个表达式得到：其中，e
c
(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量，ν
c
(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的泊松比。5.根据权利要求4所述的一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法，其特征在于，所述根据所述几何参数和所述第二材料参数确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值，包括：获取非浅圆柱壳的屈曲控制方程表达式；获取基于所述金属管两端简支的边界条件确定的屈曲位移函数表达式；根据所述屈曲控制方程表达式、所述屈曲位移函数表达式、所述几何参数以及所述第二材料参数，确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值；所述屈曲控制方程表达式为：所述屈曲控制方程表达式为：所述屈曲控制方程表达式为：其中，n
ij
是所述金属管的薄膜内力，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗弯刚度，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗拉刚度；所述屈曲位移函数表达式为：u＝f
1 cosαx sinβy
v＝f
2 sinαx cosβyw＝fsinαxsinβy其中，α＝ml/π,β＝k/r，其中k是y方向上的半波数，m是x方向上的模态参数；f1、f2、f分别是三个方向上位移u、v、w的幅度系数，且f1、f2、f为待定系数；所述临界载荷值q的表达式为：θ＝kl/mπr，l是所述金属管的长度，m＝1，k≥2且为整数，当k使q取极值时，该k值为对应工况下的屈曲模态参数。6.一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算装置，其特征在于，包括：第一单元，用于获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数；第二单元，用于获取所述金属管工作环境的伺服温度和伺服时间；第三单元，用于根据所述几何参数、所述第一材料参数、所述伺服温度以及所述伺服时间，确定所述金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数；第四单元，用于根据所述几何参数和所述第二材料参数确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值。7.根据权利要求6所述的一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算装置，其特征在于，所述第三单元包括第三子单元，所述第三子单元用于：获取塑性力学全量理论表达式，并根据所述塑性力学全量理论表达式确定所述金属管的薄壁圆柱壳属性关系式；获取胡克定律表达式、蠕变应变计算表达式以及所述金属管的蠕变本构模型表达式；根据所述金属管的半径和长度、所述金属管未蠕变屈曲前的杨氏模量和泊松比、所述伺服温度、所述伺服时间、所述薄壁圆柱壳属性关系式、所述胡克定律表达式、所述蠕变应变计算表达式以及所述蠕变本构模型表达式，确定所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量和泊松比；所述塑性力学全量理论表达式包括：所述塑性力学全量理论表达式包括：其中，σ是等效应力，σ
ij
是应力沿空间坐标系各个方向的分量；ε是等效应变，ε
ij
是应变沿空间坐标系各个方向的分量；s
ij
是应力偏张量；所述薄壁圆柱壳属性关系式包括：
其中，所述胡克定律表达式包括：其中，e是未蠕变屈曲前的杨氏模量，v是未蠕变屈曲前的泊松比；所述蠕变应变计算表达式为：其中，是弹性应变，是塑性应变；所述蠕变本构模型表达式为：ε＝σ
n
ω(t,t)其中，n和ω(t,t)是所述第一材料参数，σ＝qr/h，q是所述临界载荷值，r是所述金属管的半径，h是所述金属管的管壁厚度；根据上述各个表达式得到：其中，e
c
(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的杨氏模量，ν
c
(t,t)是所述金属管在蠕变屈曲后的泊松比。8.根据权利要求7所述的一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算装置，其特征在于，所述第四单元包括第四子单元，所述第四子单元用于：获取非浅圆柱壳的屈曲控制方程表达式；获取基于所述金属管两端简支的边界条件确定的屈曲位移函数表达式；根据所述屈曲控制方程表达式、所述屈曲位移函数表达式、所述几何参数以及所述第二材料参数，确定所述金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值；所述屈曲控制方程表达式为：所述屈曲控制方程表达式为：所述屈曲控制方程表达式为：其中，n
ij
是所述金属管的薄膜内力，是所述金属管蠕变屈曲后的薄
膜抗弯刚度，是所述金属管蠕变屈曲后的薄膜抗拉刚度；所述屈曲位移函数表达式为：u＝f
1 cosαx sinβyv＝f
2 sinαx cosβyw＝fsinαxsinβy其中，α＝ml/π,β＝k/r，其中k是y方向上的半波数，m是x方向上的模态参数；f1、f2、f分别是三个方向上位移u、v、w的幅度系数，且f1、f2、f为待定系数；所述临界载荷值q的表达式为：θ＝kl/mπr，l是所述金属管的长度，m＝1，k≥2且为整数，当k使q取极值时，该k值为对应工况下的屈曲模态参数。9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储程序；所述处理器执行所述程序实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种高温金属管的蠕变屈曲载荷计算方法、装置及设备，方法包括：获取金属管的几何参数和未蠕变屈曲前的第一材料参数；获取金属管工作环境的伺服温度和伺服时间；根据几何参数、第一材料参数、伺服温度以及伺服时间，确定金属管在蠕变屈曲后的第二材料参数；根据几何参数和第二材料参数确定金属管在蠕变屈曲时的临界载荷值。本发明可以计算金属管受材料影响的蠕变屈曲的临界载荷值，可广泛应用于工业工程领域。应用于工业工程领域。应用于工业工程领域。


技术研发人员：薛江红 赵晨 袁鸿 林积新 李泽嵘
受保护的技术使用者：暨南大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/15