壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計方法的進展和評述

1、壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計方法的進展和評述壓力容器的使用范圍非常的廣泛，在此根底上，我們一定更加重 視其 使用的效果。其中，壓力容器應(yīng)力分析是重要的工作，所以，討 論壓力容器 應(yīng)力分析設(shè)計工作很有必要。 壓力容器概述1.1. 概念所謂的壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密 閉設(shè)備。貯運容器、反響容器、換熱器和別離器均屬壓力容器。1.2. 用途壓力容器的用途十分廣泛。它是在石油化工學(xué)、能源工業(yè)、科研 和軍 工等國民經(jīng)濟的各個部門都起著重要作用的設(shè)備。壓力容器一般 由筒體、封 頭、法蘭、密封元件、開孔和接管、支座等六大局部構(gòu)成 容器本體。此外， 還配有平安裝置、表計及完全不同生產(chǎn)工藝作用的 內(nèi)

2、件。壓力容器由于密封、 承壓及介質(zhì)等原因，容易發(fā)生爆炸、燃燒 起火而危及人員、設(shè)備和財產(chǎn)的安 全及污染環(huán)境的事故。世界各國均 將其列為重要的監(jiān)檢產(chǎn)品，由國家指定的 專門機構(gòu)，按照國家規(guī)定的 法規(guī)和標(biāo)準實施監(jiān)督檢查和技術(shù)檢驗。 分析設(shè) 計方法在 ASME 老版中分析設(shè)計方法的全稱是“以應(yīng)力分析方法為根底的 設(shè) 計, 簡稱“應(yīng)力分析設(shè)計 ,再簡稱為“分析設(shè)計。它的特點是2.1. 要求對壓力容器及其部件進行詳細的彈性應(yīng)力分析。可以采 用理 論分析、數(shù)值計算或試驗測定來進行彈性應(yīng)力分析。2.2. 強度校核時采用塑性失效準那么。 包括用極限載荷控制一次應(yīng) 力 , 以 防止整體塑性垮塌失效。用安定載荷控制

3、一次加二次應(yīng)力以及用 疲勞壽命控 制最大總應(yīng)力 , 以防止循環(huán)失效等。2.3. 根據(jù)塑性失效準那么對彈性應(yīng)力進行分類。2.4. 根據(jù)等平安裕度原那么確定危險性不同的各類應(yīng)力的許用極限 值。綜合起來可以說 , “應(yīng)力分析設(shè)計是一種以彈性應(yīng)力分析和塑性 失效準那么為根底的應(yīng)力分類設(shè)計方法。近年來被簡稱為“應(yīng)力分類法。早期 老版中的“分析設(shè)計只包含這一種方法。隨著先進的 力學(xué)分析方法和手 段的不斷成熟 即其有效性和可靠性到達實際工程應(yīng)用的水平，ASME新版和歐盟標(biāo)準都及時地擴充了 “分析設(shè)計采用的 方法, 同時對“分析設(shè) 計的含義也有所調(diào)整。最突出的表現(xiàn)為 :2.4.1. 從彈性應(yīng)力分析擴充到彈塑性

4、分析。和應(yīng)力分類法彈性應(yīng)力分析方法并行地提出了彈塑性分析方法和極限載荷分析方法ASME或直接法歐盟。2.4.2. 把能夠給出顯式表達式的解析解都調(diào)整到“規(guī)那么設(shè)計中, “分析設(shè)計只規(guī)定通用性強的數(shù)值分析方法。另一方面, 在“規(guī)那么設(shè)計公式的強度校核中又引入了應(yīng)力分類的思想。隨著時間的推移和科學(xué)的開展 , “分析設(shè)計的方法和內(nèi)容還會有 新 的擴充和調(diào)整。在現(xiàn)階段可以說 , “分析設(shè)計是一種以塑性失效準 那么為基礎(chǔ)、采用先進力學(xué)分析手段的壓力容器設(shè)計方法。先進的材料、工藝和檢測水平是保證分析設(shè)計能得以實施的前提條件。應(yīng)力分類法3.1. 應(yīng)力分類法是當(dāng)今分析設(shè)計的主流方法 應(yīng)力分類法有如下優(yōu)點 :3

5、.1.1. 簡單。采用工程設(shè)計人員非常熟悉的彈性應(yīng)力分析方法。 應(yīng)力 評定時直接給出各類等效應(yīng)力的許用值 , 因而應(yīng)力分類后的強度校 核與常規(guī) 設(shè)計類似。3.1.2. 通用。采用有限元軟件可以對任何結(jié)構(gòu)形狀和載荷工況進 行彈 性應(yīng)力分析。 3.1.3. 保守。各類應(yīng)力的許用極限“已經(jīng)設(shè)定在保 守的水平 上 , 因此總體上是一種偏保守的設(shè)計方法。3.14 成熟。自 1965 年在 ASME 第皿卷正式頒發(fā)以來已經(jīng)應(yīng)用了 49 年, 已被世界各國普遍采用 ,并公認為先進的壓力容器設(shè)計方法。正 是因為這些優(yōu)點 , 應(yīng)力分類法仍然是當(dāng)今壓力容器分析設(shè)計的主流方 法。雖然 ASME 新版和歐盟標(biāo)準都擴充

6、了基于彈塑性分析的新方法 ，但都并列地推薦了應(yīng) 力分類法 ,而不是“不推薦采用基于應(yīng)力分類的分析設(shè)計方法。目前在工程上真正應(yīng)用 ASME 新版進行設(shè)計的實例尚未見報道 ，由于 根底數(shù)據(jù)的缺乏和對新的設(shè)計方法沒有研究清楚 , 國際上的知名工程 公司均 不允許在工程上直接采用 ASME 新版，仍然沿用 ASME 老版進行設(shè) 計。3.2. 用于應(yīng)力分類的等效線性化處理方法ASM 新版和歐盟標(biāo)準 EN 在全面繼承應(yīng)力分類法的根本思想和基 本規(guī) 那么的同時 ,還對其實施方法作出了如下關(guān)鍵性的增補:3.2.1. 把經(jīng)濟、有效且已被工程界廣泛采用的數(shù)值 有限元分析方 法作為分析設(shè)計的主要手段引入應(yīng)力分類法

7、, 并標(biāo)準了具體實施步 驟。3.2.2. 明確肯定了有限元計算結(jié)果的等效線性化處理方法 , 用較多的 篇幅給出了詳細論述。關(guān)于線性化處理得到的非線性應(yīng)力是否是峰值應(yīng)力的問題 ,ASME 新版 中明確表示“應(yīng)力分量沿貫穿壁厚的應(yīng)力分類線SCL積分,以確 定薄膜和彎曲應(yīng)力分量。峰值應(yīng)力分量可以直接利用本方法通過將總 應(yīng)力分布減去薄膜加彎曲應(yīng)力分布而得到。 分析設(shè)計中應(yīng)力分 類及其應(yīng) 用壓力容器在外載荷作用下 ,滿足了平衡條件與變形協(xié)調(diào)條件后, 容器各個部件中的應(yīng)力按其性質(zhì)分為以下三類 :4.1. 一次應(yīng)力一次應(yīng)力是因外載荷作用而在容器部件中產(chǎn)生的正應(yīng)力 或剪應(yīng) 力。它沒有“自限性，它的根本特點是當(dāng)它超過材料屈服極限時將 產(chǎn)生過渡的變形而破壞。一次應(yīng)力又分總體薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力和 局 部薄膜應(yīng)力。例如承受內(nèi)壓圓筒的器壁中的環(huán)向應(yīng)力即為總體薄膜 應(yīng)力; 平 封頭或頂蓋中央局部在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的應(yīng)力即為一次彎曲應(yīng) 力 ; 殼體在固 定支座或接管處由外載荷和力矩產(chǎn)生的應(yīng)力為局部薄膜應(yīng) 力。4.2. 二次應(yīng)力二次應(yīng)力是由于容器部件的自身約束或相鄰部件的約束 而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力。它的根本特點具有“自限性 , 即局部屈服和小 量變形就會使約束緩和、變形協(xié)調(diào) , 只要不反復(fù)加載 , 二次應(yīng)力不會引起容 器結(jié)構(gòu)破壞。4.3. 峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力是因局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或形狀突變引起的局部應(yīng)力集中