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1、第39卷 第1期四 川 大 学 学 报(工 程 科 学 版)Vol . 39 No. 1 2007年1月JOURNAL OF SI CHUAN UN I VERSITY (ENGI NEER I NG SCIENCE ED ITI ON)Jan. 2007 ?: 100923087(2007) 0120166205 ? 龙 伟,杜仕冲,余 进 (四川大学 制造科学与工程学院,四川 成都610065) ?:为了确定压力容器的失效与安全程度,在精确评定的基础之上,提出了一种模糊评定方法。针对压力容器 的平面缺陷的塑性与断裂评定,将评定点与通用失效评定曲线(FAC)的最小距离,转化为模糊程度因子,并
2、根据模 糊评定的隶属度,建立模糊评定模型,从而得出压力容器平面缺陷的失效与安全程度。进而采用综合评定方法可 对容器的整体缺陷的失效与安全程度进行评定。该评定方法的结果直观、 准确、 可靠,也可以用于类似对象的评定 与控制。 ?:压力容器;缺陷评定;模糊评定 ?: TH49?:A Fuzzy Assessment Based on In2service Pressure Vessel Conta in ing Defects LONG W ei, DU Shi2chong, YU Jin (School ofManufacturing Sci . and Eng . , Sichuan Univ
3、 . , Chengdu 610065, China) Abstract: In order to confirm danger and security degree of pressure vessel, fuzzy assess ment was put forward. Aimed to plastic collapse and fracture assess ment of a plane defect of pressure vessel, the least distance , between assess ment dot and failure assess ment cu
4、rve (FAC) , was translated into fuzzy degree gene. According to member2 ship grade of the fuzzy assessment, fuzzy assess mentmodelwas established, and could be used to confir m the plane defect degree of danger and security . The whole vessels defects degree of danger and securitywere given by an in
5、2 tegrated method.The method is intuitionistic, exact and reliable, and also could be applied to other analogous sys2 tems . Key words: pressure vessel; defect( s) assess ment; fuzzy assessment 压力容器在制造和使用过程中会产生各种各 样的缺陷,主要可以分为平面缺陷和体积缺陷两类。 为了避免造成不必要人员伤亡和经济损失,需要对 这些缺陷进行检测并做出安全评定。针对压力容器 缺陷评定技术,世界各国纷纷开展研
6、究,从早期的线 弹性评定方法到70年代COD设计曲线方法,进一 步发展到基于弹塑性J积分理论的双判据法即失效 评定图(FAD)技术(1986年英国CEGB的R /H /R6 ?: 2006 - 02 - 24 ?:总装备部重点应用项目(总装司第661号) ?:龙 伟(1956 - ) ,男,教授.研究方向:工业设备自动化. 第3版)。目前世界各国普遍采用失效评定图 (FAD)技术,且标准趋向统一 1, 2。 我国也针对压力容器材料的自身特殊性(如长 屈服平台用钢 ) , 我国一些很多专家做了大量的研 究工作。例如概率断裂力学(PFM )应用于缺陷评 定的技术被提出, R6最新修订版已经采用了这
7、种方 法,但我国新标准还未将其列入其中 3 。目前我国 在智能方法的应用方面地研究尚属领先,以戴树和 为代表的中国学者在国内外发表了一系列论文,虽 还无法完全工程化,但已展示了广阔的应用前 景 1 。 在2005年6月我国实施的最新国家标准(GB / T19624 - 2004)中,具体地给出了两种评定方法,一 是平面缺陷和体积缺陷的断裂与塑性失效安全评定 方法,二是平面缺陷与体积缺陷的疲劳失效评定方 法 4 。从目前情况看 ,平面型缺陷评定的工程方法 已基本成熟 1 ,但评定的结果不能体现缺陷的失效 与安全程度。本文主要针对压力容器的平面缺陷的 断裂与塑性失效评定的常规评定,引入模糊评定方
8、法,对罐体的某一缺陷及多缺陷的失效与安全进行 综合评定。从而获得压力容器的整体安全性。 1? 在最新国家标准(GB /T19624 - 2004)中,压力 容器的平面缺陷的断裂与塑性失效评定之常规评 定,采用了通用失效评定图。该失效评定图如图1 所示。 ?1? Fig. 1The fa ilure assess ment graph 图中失效评定曲线(FAC)的方程为: Kr = ( 1-0.14Lr 2 ) (0.3+0.7e-0.65Lr6) (1) 垂直线的方程为: Lr= Lrmax(2) Kr为平面缺陷常规评定用断裂比,指施加载荷作用 下的应力强度因子与以应力强度因子表示的材料断 裂
9、韧度比值,无量纲;Lr为载荷比,指引起一次应力 的施加载荷与塑性屈服载荷的比值,表示载荷接近 与材料塑性极限载荷的程度,无量钢。 图1中,由FAC曲线、Lr=Lrmax直线和两直角 坐标轴所围成的区域之内为安全区,该区域之外为 非安全区。按照标准中的方法,计算得Kr值和Lr 值所构成的评定点(Lr, kr)绘在图1中。如果该评 定点位于安全区内,则认为该缺陷是安全的;否则认 为不能保证安全 4 。 然而,评定点坐标落于曲线评定图的位置不同, 失效与安全程度也有差别。如果在安全区内,评定 点距离曲线越远,那么安全程度越高;如果在非安全 区内,评定点距离曲线越远,那么失效后果越严重; 但是失效与安
10、全程度并不明确,只有明确了失效与 安全的程度,在实际应用中才能对缺陷做出合理的 处理。例如:安全程度较高,需要注意缺陷的扩展情 况;绝对安全,可以不考虑缺陷的存在。 为了实现这个目的,可以在得到的精确评定点 的基础之上,对该结果模糊处理,得出模糊结果。从 而引出如下模糊评定方法。这样,不但在量上得到 了评定结果,而且在程度上也得到了评定结果,便可 以更加准确,有针对性的对缺陷进行处理。 2? 模糊逻辑系统是由模糊规则基、 模糊推理、 模糊 化算子和反模糊化算子4部分组成 5 ,其基本结构 如图2所示。 ?2? Fig. 2Basal structure of fuzzy control sys
11、tem 设xU=U1 UnX1 Xn为模糊系 统的输入, yVm /2 (8) 定位公式2:当状态集的整实数论域为全正 j( l)( w m -1K( j - 1) )= ( l m -1 ( j - 1 ) ) | j=1,2, m (9) 定位公式3:当状态集的整实数论域为全负时, 即-l,- ( l - 1 ) , ,- 1,0,+1,+ ( l - 1 ) , + l,则有: j( l)( - w m -1K(m - j) ) = ( - l m -1 (J - 1 ) ) | j=1,2, m (10) 在压力容器缺陷评定系统中,评判集的等级元素定 义为:1为退役报废(负极大 ) ,
12、 2为失效极严重(负 大 ) , 3为失效严重(负中 ) , 4为一般失效(负小 ) , 5为评定点在曲线上(零 ) , 6为一般安全(正小 ) , 7为较安全(正中 ) , 8为安全(正大 ) , 9为绝对安 全(正极大)。 对于本评定系统,由于其隶属状态集的整实数 论域取为 - 4, - 1, 0, + 1, + 4,根据等级 元素的划分知:m= 9,由定位公式1可得:1( l)= - 4,2( l)= - 3,3( l)= - 2,4( l)= - 1,5( l)= 0;6( l)= +1,7( l)= + 2,8( l)= + 3,9( l)= + 4。 本评定系统采用离散隶属度,根据
13、上述隶属度 的确定原则,并对应评判等级元素按等比差排列,等 比因子取0. 15,可以得到本评定系统失效程度的综 合模糊评定表2。 ?2? Tab. 2I ntegrated fuzzy assessment table of pressure vessel 程度 因子 等级元素 负极大 (m =1) 退役 报废 负大 (m =2) 失效 极严重 负中 (m =3) 失效 严重 负小 (m =4) 一般 失效 零 (m =5) 评定点 在曲线上 正小 (m =6) 一般 安全 正中 (m =7) 较 安全 正大 (m =8) 安全 正极大 (m =9) 绝对 安全 - 41. 000. 850.
14、 550. 1000000 - 30. 851. 000. 850. 550. 100000 - 20. 550. 851. 000. 850. 550000 - 10. 100. 550. 851. 000. 850000 000. 100. 550. 851. 000. 850. 550. 100 100000. 851. 000. 850. 550. 10 200000. 550. 851. 000. 850. 55 300000. 100. 550. 851. 000. 85 4000000. 100. 550. 851. 00 4? 4. 1? 上面讨论了对被评定对象的某一因素(单一
15、平 面缺陷)的模糊评定,对于被评定对象的多因素评 定同样可采用上述方法分别进行。根据事件的等级 元素,并通过事先构建的模糊评定规则便可以得出 明确的评定结果。模糊评定规则由一组推理语言来 描述,用于工业模糊评定的语言规则有如下几种类 型: 961 第1期龙 伟,等:基于含缺陷在役压力容器的模糊评定 ? 类型1:单输入,单输出,即:“ 若A,则B” 或 “IF A THEN B” 。 例如:“ 若水位低于0,则水箱内缺水 ” 。 类型2:多输入,单输出,即“ 若A且B,则C” 或 “IF A AND B THEN C” 。 例如:“ 若水温偏高,且温度上升快,则水箱内 缺水严重 ” 。 类型3:
16、多输入,多输出,即:“ 若A且B, C, 则D且E” 或“IF A AND B AND CTHEN D AND E” 。 例如:“ 若水偏少,水温高,温度上升快,则严重 缺水,且燃气太大 ” 。 本系统采用多个平面缺陷来评定压力容器的失 效与安全程度。通过前述变换和综合评定,可以得 到多个平面缺陷的等级,它们均作为评定推理的输 入,分别用U1、U2、 ,表示,其评定结果用C表示。 因此采用上述类型二推理规则,可构建相应的多因 素评定结果规则 7 。 4. 2? 首先选取一个缺陷用模糊决策模型的方法评 定,这里只给出罐体和缺陷的基本信息。 罐体基本尺寸:内半径: 1000 mm;壁厚:25 mm
17、;材料: 16 Mn。缺陷基本尺寸:高度: 10 mm;深 度: 5. 3 mm;长度: 49 mm。精确计算结果:该裂纹 为表面裂纹;评定点坐标: (0. 36, 0. 46)。模糊评定 结果:程度因子: 4。结论:绝对安全。该缺陷破坏 程度微忽其微,可以忽略不计。 根据3. 2中评定点(0. 36, 0. 46)与FAC曲线的 偏差的实际计算最小值ui=li为0. 9,其隶属状态 集的元素可计算得:ui=(40.9)=(3. 6) =4。 从表2中可以得出该缺陷对应等级元素m= 9 的隶属度为1,所以该缺陷绝对安全;对m= 8的隶 属度为0.85,所以该缺陷在安全区程度为85 % ( 可
18、以这么认为 ); 对m=5的隶属度为0,所以该缺陷绝 对不可能在曲线上。其它缺陷同理。 例如以两个缺陷为例, U1表示上面的缺陷的等 级元素,即U1 = 4。U2表示另外一个缺陷等级元 素,如U2 =4,则U1 +U2C为“ 绝对安全 ”;如U2 =0,则U1 +U2C为“ 较安全 ”;如U2 = - 4,则U1 +U2C为“ 结果不确定 ” 。 5? 以压力容器缺陷评定为基础,给出了模糊评定 的一种具体方法。简明地给出了从建立模糊评定模 型到得出评定结果的流程。经过实际验证,采用此 方法建立的“ 在役压力容器缺陷评定决策支持系 统 ” 的模糊评定模块,对在得到精确评定数值的基 础上,得到了更
19、加具体直观模糊评定结果,对缺陷的 处理更加明确,并且结果准确可靠。 压力容器缺陷中除了平面缺陷的断裂与塑性失 效安全评定外,还需要进行体积缺陷的断裂与塑性 失效安全评定;平面缺陷与体积缺陷的疲劳失效评 定。这些评定同样可以采用平面缺陷评定的步骤进 行评定得出结果。但体积缺陷的断裂与塑性失效安 全的模糊评定中,程度因子Ui应该为极限载荷PL 和Pmax的最小差值。 此模糊评定方法可应用于其它类似对象的安全 评定,也可运用在工业控制中的模糊控制系统中。 ?: 1WangMing, Lang Fuyuan, Gong Jun, et al . New advances in investigatio
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