壓力容器技術(shù)進(jìn)展

1、12James Watt (1736-1819)34l核電站一個(gè)核電站一個(gè)1500MW壓水堆壓力殼，工壓水堆壓力殼，工作壓力為作壓力為15MPa，工作溫度為，工作溫度為300C，容器內(nèi)直徑容器內(nèi)直徑7800mm，壁厚，壁厚317 mm，重重650噸；噸；l煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為為20MPa，工作溫度為，工作溫度為500C，最大內(nèi)，最大內(nèi)直徑達(dá)直徑達(dá)5000mm，壁厚為，壁厚為400 mm，重，重2600噸；噸；l煉油廠加氫反應(yīng)器的直徑達(dá)煉油廠加氫反應(yīng)器的直徑達(dá)4.5mm,厚厚280mm, 重約重約1000噸。噸。傳統(tǒng)容器設(shè)計(jì)方法都基于彈性失效設(shè)計(jì)

2、準(zhǔn)則，將容器中傳統(tǒng)容器設(shè)計(jì)方法都基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將容器中最大應(yīng)力限制在彈性范圍內(nèi)可保證安全。這種最大應(yīng)力限制在彈性范圍內(nèi)可保證安全。這種“規(guī)則設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)”方法對設(shè)計(jì)的容器基本上是安全的，主要著眼于限制容器中方法對設(shè)計(jì)的容器基本上是安全的，主要著眼于限制容器中的的最大最大薄膜應(yīng)力或其他由機(jī)械載荷直接產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力及剪薄膜應(yīng)力或其他由機(jī)械載荷直接產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力及剪應(yīng)力等。這種方法仍是現(xiàn)今設(shè)計(jì)規(guī)范的主流。應(yīng)力等。這種方法仍是現(xiàn)今設(shè)計(jì)規(guī)范的主流。但應(yīng)當(dāng)看到，這種設(shè)計(jì)方法對容器中的某些應(yīng)力，例如但應(yīng)當(dāng)看到，這種設(shè)計(jì)方法對容器中的某些應(yīng)力，例如結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，開孔接管部位的集中應(yīng)力等并不逐一進(jìn)行結(jié)

3、構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，開孔接管部位的集中應(yīng)力等并不逐一進(jìn)行強(qiáng)度校核，特別是當(dāng)載荷強(qiáng)度校核，特別是當(dāng)載荷( (壓力或溫度壓力或溫度) )有交變可能引起結(jié)構(gòu)有交變可能引起結(jié)構(gòu)的疲勞失效時(shí)也未對這些應(yīng)力進(jìn)行安全性校核。的疲勞失效時(shí)也未對這些應(yīng)力進(jìn)行安全性校核?；と萜鞯膽?yīng)力分析設(shè)計(jì)化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)6一、分析設(shè)計(jì)法概述一、分析設(shè)計(jì)法概述 l隨著技術(shù)的發(fā)展，核容器和大型化的高參數(shù)化工容器的廣泛隨著技術(shù)的發(fā)展，核容器和大型化的高參數(shù)化工容器的廣泛使用，工程師們逐步認(rèn)識到各種不同的應(yīng)力對容器的失效有使用，工程師們逐步認(rèn)識到各種不同的應(yīng)力對容器的失效有不同的影響。不同的影響。l應(yīng)

4、從產(chǎn)生應(yīng)力的原因、作用的部位及對失效的影響幾方面將應(yīng)從產(chǎn)生應(yīng)力的原因、作用的部位及對失效的影響幾方面將容器中的應(yīng)力進(jìn)行合理的分類，形成了容器中的應(yīng)力進(jìn)行合理的分類，形成了“應(yīng)力分類應(yīng)力分類”的概念的概念和相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)方法。和相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)方法。l按不同類別的應(yīng)力可能引起的失效模式建立起彈性失效、塑按不同類別的應(yīng)力可能引起的失效模式建立起彈性失效、塑性失效、彈塑性失效及疲勞失效的設(shè)計(jì)與校核方法，并給出性失效、彈塑性失效及疲勞失效的設(shè)計(jì)與校核方法，并給出不同的應(yīng)力限制條件。不同的應(yīng)力限制條件。這就是應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的這就是應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的總體思想總體思想。l這套方法的基礎(chǔ)首先要對容器中關(guān)鍵部位逐一進(jìn)行

5、應(yīng)力分析，這套方法的基礎(chǔ)首先要對容器中關(guān)鍵部位逐一進(jìn)行應(yīng)力分析，然后才能進(jìn)行應(yīng)力分類。然后才能進(jìn)行應(yīng)力分類。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)7l應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想容器上存在不同載荷及容器上存在不同載荷及不同的應(yīng)力，而且對容器失效的影響又各不相同，因不同的應(yīng)力，而且對容器失效的影響又各不相同，因此就應(yīng)當(dāng)更為科學(xué)地將應(yīng)力進(jìn)行分類，并按不同的失此就應(yīng)當(dāng)更為科學(xué)地將應(yīng)力進(jìn)行分類，并按不同的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核。效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核。l分析設(shè)計(jì)法分析設(shè)計(jì)法按這種設(shè)計(jì)思想進(jìn)行容器設(shè)計(jì)時(shí)必先按這種設(shè)計(jì)思想進(jìn)行容器設(shè)計(jì)時(shí)必先進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，將各種外載荷或變

6、形約束產(chǎn)生進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計(jì)算出來，然后進(jìn)行應(yīng)力分類，再按不同的應(yīng)力分別計(jì)算出來，然后進(jìn)行應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效，這就是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。形式的失效，這就是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)8(一一)容器的載荷與應(yīng)力容器的載荷與應(yīng)力 (1)由壓力載荷引起的應(yīng)力由壓力載荷引起的應(yīng)力(2)由機(jī)械載荷引起的應(yīng)力由機(jī)械載荷引起的應(yīng)力(3)由不連續(xù)效應(yīng)引起的不連續(xù)應(yīng)力由不連續(xù)效應(yīng)引起的不連續(xù)應(yīng)力(4)由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力由溫差產(chǎn)生的熱

7、應(yīng)力(5)由應(yīng)力集中引起的集中應(yīng)力由應(yīng)力集中引起的集中應(yīng)力壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)9(三三) 各種應(yīng)力對容器失效的影響各種應(yīng)力對容器失效的影響 爆破總發(fā)生爆破總發(fā)生在遠(yuǎn)離封頭在遠(yuǎn)離封頭的圓筒體中的圓筒體中部，從中央部，從中央向兩頭撕裂向兩頭撕裂 封頭與筒體連接封頭與筒體連接處存在較大的不處存在較大的不連續(xù)應(yīng)力，但爆連續(xù)應(yīng)力，但爆破不從這里開始破不從這里開始 不同的應(yīng)力引起容不同的應(yīng)力引起容器失效的形式不同。器失效的形式不同。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)10l內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力使容器在總體范圍內(nèi)發(fā)生彈性失效或塑性失效，內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力使容器在總體范圍內(nèi)發(fā)生彈性失效或塑性失效，即膜應(yīng)力可使筒體

8、屈服變形，以致爆破。外壓引起總體剛性失穩(wěn)，即膜應(yīng)力可使筒體屈服變形，以致爆破。外壓引起總體剛性失穩(wěn)，即形狀失穩(wěn)。即形狀失穩(wěn)。l其他機(jī)械載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力使容器發(fā)生局部范圍彈性失效或塑其他機(jī)械載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力使容器發(fā)生局部范圍彈性失效或塑性失效。性失效。l總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，由于相鄰部位存在相互約束，可能使部分總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力，由于相鄰部位存在相互約束，可能使部分材料屈服進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，可造成彈塑性失效。材料屈服進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，可造成彈塑性失效。l總體熱應(yīng)力也會造成容器的彈塑性失效?？傮w熱應(yīng)力也會造成容器的彈塑性失效。l應(yīng)力集中應(yīng)力集中( (局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)) )及局部熱應(yīng)力使局

9、部材料屈服，雖然及局部熱應(yīng)力使局部材料屈服，雖然可以造成彈塑性失效，但只涉及范圍極小的局部，不會造成容器可以造成彈塑性失效，但只涉及范圍極小的局部，不會造成容器過度變形。過度變形。l在交變載荷作用下，這種應(yīng)力再疊加上壓力載荷的應(yīng)力及不連續(xù)在交變載荷作用下，這種應(yīng)力再疊加上壓力載荷的應(yīng)力及不連續(xù)應(yīng)力會使容器出現(xiàn)疲勞裂紋，主要危害是導(dǎo)致疲勞失效。應(yīng)力會使容器出現(xiàn)疲勞裂紋，主要危害是導(dǎo)致疲勞失效。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)11二、容器的應(yīng)力分類二、容器的應(yīng)力分類 化工容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類的基本原則是：化工容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類的基本原則是： l應(yīng)力產(chǎn)生的原因，是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形應(yīng)力產(chǎn)生

10、的原因，是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的；協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的；l應(yīng)力的分布，是總體范圍還是局部范圍的，沿壁厚應(yīng)力的分布，是總體范圍還是局部范圍的，沿壁厚的分布是均勻的還是線性的或非線性的；的分布是均勻的還是線性的或非線性的；l對失效的影響，即是否會造成結(jié)構(gòu)過度的變形，及對失效的影響，即是否會造成結(jié)構(gòu)過度的變形，及是否導(dǎo)致疲勞、韌性失效。是否導(dǎo)致疲勞、韌性失效。 l應(yīng)力分類法將容器中的應(yīng)力分為三大類：應(yīng)力分類法將容器中的應(yīng)力分為三大類：一次應(yīng)力；一次應(yīng)力；二次應(yīng)力；峰值應(yīng)力。二次應(yīng)力；峰值應(yīng)力。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展12二、容器的應(yīng)力分類二、容器的應(yīng)

11、力分類 (一一) 一次應(yīng)力一次應(yīng)力P(Primary stress) l一次應(yīng)力一次應(yīng)力P也稱基本應(yīng)力，是為平衡壓力和其他機(jī)械載也稱基本應(yīng)力，是為平衡壓力和其他機(jī)械載荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，可由與外載荷的平衡荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，可由與外載荷的平衡關(guān)系求得，由此一次應(yīng)力必然直接隨外載荷的增加而關(guān)系求得，由此一次應(yīng)力必然直接隨外載荷的增加而增加。增加。l對于理想塑性材料，載荷達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)即使載荷不對于理想塑性材料，載荷達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)即使載荷不再增加，仍會產(chǎn)生不可限制的塑性流動，直至破壞。再增加，仍會產(chǎn)生不可限制的塑性流動，直至破壞。l這就是一次應(yīng)力的這就是一次應(yīng)力的“非自限性非自限性

12、”特征。特征。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)13二、容器的應(yīng)力分類二、容器的應(yīng)力分類 (一一) 一次應(yīng)力一次應(yīng)力P (Primary stress)一次應(yīng)力還可以再分一次應(yīng)力還可以再分為如下三種：為如下三種： l一次總體薄膜應(yīng)力一次總體薄膜應(yīng)力Pm(General primary membrane stress) l一次彎曲應(yīng)力一次彎曲應(yīng)力Pb(Primary bending stress) l一次局部薄膜應(yīng)力一次局部薄膜應(yīng)力PL (General local membrane stress) 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)14(二二) 二次應(yīng)力二次應(yīng)力Q (Secondary stress

13、)l二次應(yīng)力二次應(yīng)力Q是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的法向應(yīng)力或切應(yīng)力，基本特征是具有自限性。引起的法向應(yīng)力或切應(yīng)力，基本特征是具有自限性。l筒體與端蓋的連接部位存在筒體與端蓋的連接部位存在“相鄰部件相鄰部件”的約束，厚的約束，厚壁容器內(nèi)外壁存在溫差時(shí)就形成壁容器內(nèi)外壁存在溫差時(shí)就形成“自身約束自身約束”。二次。二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，不是為平衡外載荷所應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，不是為平衡外載荷所必需的，而是在受載時(shí)在變形協(xié)調(diào)中產(chǎn)生的。當(dāng)約束必需的，而是在受載時(shí)在變形協(xié)調(diào)中產(chǎn)生的。當(dāng)約束部位發(fā)生局部的屈服和小量的塑性流動使變形得到協(xié)部

14、位發(fā)生局部的屈服和小量的塑性流動使變形得到協(xié)調(diào)，產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因調(diào)，產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因(變形差變形差)便得到滿足與緩和。便得到滿足與緩和。亦即應(yīng)力和變形也受到結(jié)構(gòu)自身的抑制而不發(fā)展，這亦即應(yīng)力和變形也受到結(jié)構(gòu)自身的抑制而不發(fā)展，這就是自限性。就是自限性。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)15(二二) 二次應(yīng)力二次應(yīng)力Q (Secondary stress)l二次應(yīng)力的例子有：p總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位，如筒體與封頭、筒體或封頭與法蘭連接處的不連續(xù)應(yīng)力中的彎曲應(yīng)力屬二次應(yīng)力；p總體熱應(yīng)力，如圓筒殼中軸向溫度梯度所引起的熱應(yīng)力，由接管和與之相接殼體間的溫差所引起的熱應(yīng)力，由殼壁徑向溫差引起的熱應(yīng)力的當(dāng)量

15、線性分量以及厚壁容器由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力梯度，這些都屬于二次應(yīng)力。 16(三三) 峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力F (Peak stress)l峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力F F是由是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量。峰值應(yīng)力最主要的特點(diǎn)是高度的局部性，。峰值應(yīng)力最主要的特點(diǎn)是高度的局部性，因而不引起任何明顯的變形。其有害性僅是可能引起疲勞裂紋或脆因而不引起任何明顯的變形。其有害性僅是可能引起疲勞裂紋或脆性斷裂。性斷裂。l局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指幾何形狀或材料在很小區(qū)域內(nèi)的不連續(xù)，只在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指幾何形狀或材料在很小區(qū)

16、域內(nèi)的不連續(xù)，只在很小范圍內(nèi)引起應(yīng)力和應(yīng)變增大，即應(yīng)力集中，但對結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力很小范圍內(nèi)引起應(yīng)力和應(yīng)變增大，即應(yīng)力集中，但對結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布和變形沒有重大影響。分布和變形沒有重大影響。l結(jié)構(gòu)上的小半徑過渡圓角、部分未焊透及咬邊、裂紋等缺陷處均有結(jié)構(gòu)上的小半徑過渡圓角、部分未焊透及咬邊、裂紋等缺陷處均有應(yīng)力集中，均存在附加在一次與二次應(yīng)力之上的峰值應(yīng)力。應(yīng)力集中，均存在附加在一次與二次應(yīng)力之上的峰值應(yīng)力。l平板開孔為例，均勻拉伸膜應(yīng)力為平板開孔為例，均勻拉伸膜應(yīng)力為 ，應(yīng)力集中系數(shù)為，應(yīng)力集中系數(shù)為KtKt，則，則F F (Kt-1) (Kt-1) 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)17壓力容器技術(shù)進(jìn)

17、展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)18三、應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的程序及應(yīng)用三、應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的程序及應(yīng)用 l(1) 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析 詳細(xì)考慮壓力容器結(jié)構(gòu)中有哪些部位需要按分析設(shè)計(jì)詳細(xì)考慮壓力容器結(jié)構(gòu)中有哪些部位需要按分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行強(qiáng)度分析，這些部位有哪些應(yīng)力作用，可能產(chǎn)生什么形式方法進(jìn)行強(qiáng)度分析，這些部位有哪些應(yīng)力作用，可能產(chǎn)生什么形式的失效。的失效。l(2) 應(yīng)力分析應(yīng)力分析 分析設(shè)計(jì)方法是按彈性應(yīng)力分析方法計(jì)算各部位的應(yīng)分析設(shè)計(jì)方法是按彈性應(yīng)力分析方法計(jì)算各部位的應(yīng)力，因此需正確確定各分析部位所受的載荷力，因此需正確確定各分析部位所受的載荷( (壓力的、機(jī)械的與熱的壓力的、機(jī)械的與熱的) )以及邊界力學(xué)條件，并明

18、確區(qū)別設(shè)計(jì)條件和實(shí)際的操作條件。計(jì)算以及邊界力學(xué)條件，并明確區(qū)別設(shè)計(jì)條件和實(shí)際的操作條件。計(jì)算方法可以用解析法，無法解析時(shí)可以用數(shù)值方法。國內(nèi)外的分析設(shè)方法可以用解析法，無法解析時(shí)可以用數(shù)值方法。國內(nèi)外的分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定可以采用彈性方法進(jìn)行應(yīng)力分析。當(dāng)結(jié)構(gòu)中局部區(qū)域計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定可以采用彈性方法進(jìn)行應(yīng)力分析。當(dāng)結(jié)構(gòu)中局部區(qū)域的應(yīng)力超出材料的屈服點(diǎn)時(shí)，允許采用彈性虛擬應(yīng)力概念并可進(jìn)行的應(yīng)力超出材料的屈服點(diǎn)時(shí)，允許采用彈性虛擬應(yīng)力概念并可進(jìn)行疊加。疊加。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)19l(3) 應(yīng)力分類應(yīng)力分類 各部位在各種載荷作用下的應(yīng)力分析后可將應(yīng)力按各部位在各種載荷作用下的應(yīng)力分析后可將

19、應(yīng)力按P (Pm、PL、Pb)、Q及及F進(jìn)行分類。注意，這里的進(jìn)行分類。注意，這里的P、Q、F所代表的所代表的是應(yīng)力分類的類別符號，不只表示一個(gè)量，每類應(yīng)力各有是應(yīng)力分類的類別符號，不只表示一個(gè)量，每類應(yīng)力各有6個(gè)應(yīng)力分個(gè)應(yīng)力分量量(其中有的應(yīng)力分量亦可以為零其中有的應(yīng)力分量亦可以為零)，每一校核點(diǎn)的應(yīng)力均應(yīng)為三個(gè)，每一校核點(diǎn)的應(yīng)力均應(yīng)為三個(gè)法向應(yīng)力法向應(yīng)力( x、 、 z )和三個(gè)切應(yīng)力和三個(gè)切應(yīng)力( x 、 z、 zx)為一組的為一組的6個(gè)應(yīng)力個(gè)應(yīng)力分量。而疊加是指同種應(yīng)力分量的向量疊加。應(yīng)力分類是針對每組分量。而疊加是指同種應(yīng)力分量的向量疊加。應(yīng)力分類是針對每組應(yīng)力分量的，同種應(yīng)力進(jìn)行疊

20、加。按容器的應(yīng)力分量的，同種應(yīng)力進(jìn)行疊加。按容器的r、 、z取向，可將剪取向，可將剪應(yīng)力忽略不計(jì)，剩下的三個(gè)法向應(yīng)力即為主應(yīng)力。應(yīng)力忽略不計(jì)，剩下的三個(gè)法向應(yīng)力即為主應(yīng)力。l(4) 計(jì)算計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)力強(qiáng)度 將應(yīng)力按各向疊加和分類后的應(yīng)力分量求得組將應(yīng)力按各向疊加和分類后的應(yīng)力分量求得組合后的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，按第三強(qiáng)度理論求出各校核部位合后的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，按第三強(qiáng)度理論求出各校核部位的最大應(yīng)力強(qiáng)度，或稱組合應(yīng)力強(qiáng)度的最大應(yīng)力強(qiáng)度，或稱組合應(yīng)力強(qiáng)度(S)(S)，以待進(jìn)行強(qiáng)度校核。，以待進(jìn)行強(qiáng)度校核。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)20l(5) 應(yīng)力強(qiáng)度校核應(yīng)力強(qiáng)度校核 進(jìn)行各個(gè)

21、單項(xiàng)及組合應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行各個(gè)單項(xiàng)及組合應(yīng)力強(qiáng)度S的的校核，校核，p Pm的應(yīng)力強(qiáng)度的應(yīng)力強(qiáng)度SIKSm，p PL的的SII1.5KSm，p PL+Pb的的SIII1.5KSm。p PL+Pb+Q的的S3Sm，p PL+Pb+Q+F的的SVSa。p Sm為基本應(yīng)力強(qiáng)度，為基本應(yīng)力強(qiáng)度，Sa為由疲勞設(shè)計(jì)曲線得到的應(yīng)力循為由疲勞設(shè)計(jì)曲線得到的應(yīng)力循環(huán)下的允許應(yīng)力幅環(huán)下的允許應(yīng)力幅(若以全幅應(yīng)力循環(huán)計(jì)時(shí)，則允許的峰若以全幅應(yīng)力循環(huán)計(jì)時(shí)，則允許的峰值應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)為值應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)為2Sa)。K為載荷的組合系數(shù)，即根據(jù)為載荷的組合系數(shù)，即根據(jù)壓力、自重、內(nèi)物料、配件重、壓力、自重、內(nèi)物料、配件重、風(fēng)載、地震載荷不

22、同組合情況風(fēng)載、地震載荷不同組合情況的組合，按的組合，按JB4732-95JB4732-95鋼制壓力鋼制壓力容器容器- -分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，表分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，表3-33-3的的方法取方法取K值。值。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)21 結(jié)構(gòu)在交變載荷下會發(fā)生疲勞破壞，這是結(jié)構(gòu)在交變載荷下會發(fā)生疲勞破壞，這是19世紀(jì)末世紀(jì)末已被重視的問題，早就形成了疲勞設(shè)計(jì)方法。但由于受壓已被重視的問題，早就形成了疲勞設(shè)計(jì)方法。但由于受壓容器的疲勞破壞特別容易發(fā)生在接管根部等出現(xiàn)塑性應(yīng)變?nèi)萜鞯钠谄茐奶貏e容易發(fā)生在接管根部等出現(xiàn)塑性應(yīng)變的高應(yīng)變區(qū)，破壞的循環(huán)周次都很低，稱為的高應(yīng)變區(qū)，破壞的循環(huán)周次都很低，稱為“低循環(huán)

23、疲低循環(huán)疲勞勞”。低循環(huán)疲勞有其特殊的規(guī)律，形成了不同于高循環(huán)。低循環(huán)疲勞有其特殊的規(guī)律，形成了不同于高循環(huán)情況的容器防低循環(huán)破壞的設(shè)計(jì)方法。情況的容器防低循環(huán)破壞的設(shè)計(jì)方法。 疲勞設(shè)計(jì)需進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，必須采用應(yīng)力分疲勞設(shè)計(jì)需進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，必須采用應(yīng)力分類的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此容器的疲勞設(shè)計(jì)也是分析設(shè)計(jì)法類的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此容器的疲勞設(shè)計(jì)也是分析設(shè)計(jì)法的一個(gè)重要組成部分。的一個(gè)重要組成部分。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)22容器的交變載荷來自壓力的波容器的交變載荷來自壓力的波動、開停工的壓力交流；溫度的交動、開停工的壓力交流；溫度的交變形成溫差應(yīng)力的交變；外加載荷變形成溫差應(yīng)力的

24、交變；外加載荷的交變以及強(qiáng)迫振動等。另一方面的交變以及強(qiáng)迫振動等。另一方面容器結(jié)構(gòu)上存在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)引容器結(jié)構(gòu)上存在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起應(yīng)力集中，尤其當(dāng)形成局部塑性起應(yīng)力集中，尤其當(dāng)形成局部塑性區(qū)時(shí)，往往是萌生疲勞裂紋和引起區(qū)時(shí)，往往是萌生疲勞裂紋和引起容器疲勞破壞的源區(qū)。容器疲勞破壞的源區(qū)。 局部塑性區(qū)內(nèi)的高應(yīng)變，在交變局部塑性區(qū)內(nèi)的高應(yīng)變，在交變載荷下將發(fā)生交變的塑性應(yīng)變，載荷下將發(fā)生交變的塑性應(yīng)變，因此容器疲勞破壞時(shí)的循環(huán)周次因此容器疲勞破壞時(shí)的循環(huán)周次都很低。循環(huán)數(shù)在都很低。循環(huán)數(shù)在102105次發(fā)次發(fā)生破壞的稱為低循環(huán)疲勞，生破壞的稱為低循環(huán)疲勞，105次以上的則稱為高循環(huán)疲勞。次以

25、上的則稱為高循環(huán)疲勞。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)23容器不需作疲勞分析的規(guī)定容器不需作疲勞分析的規(guī)定疲勞分析是在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的，設(shè)計(jì)成本較高，疲勞分析是在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的，設(shè)計(jì)成本較高，不是所有承受交變載荷的容器都需作疲勞分析。不是所有承受交變載荷的容器都需作疲勞分析。ASME-2 (ADl60-2節(jié)節(jié))及中國疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范都從很保守的角度作出及中國疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范都從很保守的角度作出具體規(guī)定，例如對材料抗拉強(qiáng)度不超過具體規(guī)定，例如對材料抗拉強(qiáng)度不超過550MPa的容器，的容器，若下列四條中的總循環(huán)數(shù)對于容器整體部分若下列四條中的總循環(huán)數(shù)對于容器整體部分(包括整體補(bǔ)強(qiáng)包括整體補(bǔ)強(qiáng)的接

26、管的接管)不超過不超過1000次，對于非整體結(jié)構(gòu)的部件次，對于非整體結(jié)構(gòu)的部件(例如帶補(bǔ)例如帶補(bǔ)強(qiáng)板的接管強(qiáng)板的接管)不超過不超過400次時(shí)，可以不作疲勞分析。次時(shí)，可以不作疲勞分析。壓力全幅度循環(huán)的預(yù)期壓力全幅度循環(huán)的預(yù)期(設(shè)計(jì)設(shè)計(jì))次數(shù)，包括起動和停車。次數(shù)，包括起動和停車。壓力變化幅度超過設(shè)計(jì)壓力的壓力變化幅度超過設(shè)計(jì)壓力的20的循環(huán)次數(shù)，大氣的循環(huán)次數(shù)，大氣壓波動的影響不需考慮。壓波動的影響不需考慮。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)24 (二二)容器不需作疲勞分析的規(guī)定容器不需作疲勞分析的規(guī)定容器上包括接管的任何相鄰兩點(diǎn)間溫度差的變化的有效次數(shù)，這里容器上包括接管的任何相鄰兩點(diǎn)間溫度差的

27、變化的有效次數(shù)，這里的有效次數(shù)是指金屬溫度差變化的次數(shù)乘以從下表查得相應(yīng)系數(shù)值的有效次數(shù)是指金屬溫度差變化的次數(shù)乘以從下表查得相應(yīng)系數(shù)值之積的和。之積的和。當(dāng)構(gòu)件是由膨脹系數(shù)不同的材料焊接而成時(shí)，則應(yīng)計(jì)及當(dāng)溫度升高當(dāng)構(gòu)件是由膨脹系數(shù)不同的材料焊接而成時(shí)，則應(yīng)計(jì)及當(dāng)溫度升高D DT的的(a a1a a2)，D DT值超過值超過0.00034時(shí)的溫度循環(huán)次數(shù)，此條件不適時(shí)的溫度循環(huán)次數(shù)，此條件不適用于復(fù)合材料，用于復(fù)合材料，a a1及及a a2為兩種材料在平均溫度下的線膨脹系數(shù)。為兩種材料在平均溫度下的線膨脹系數(shù)。這四種情況的總循環(huán)次數(shù)不超過這四種情況的總循環(huán)次數(shù)不超過1000次次(或或400次次

28、)是絕不會發(fā)生是絕不會發(fā)生疲勞損壞的，這樣計(jì)算已是很保守的了，例如它是假設(shè)結(jié)構(gòu)疲勞損壞的，這樣計(jì)算已是很保守的了，例如它是假設(shè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)的應(yīng)力集中系數(shù)Kt6作為分析前提的。作為分析前提的。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 應(yīng)用計(jì)算機(jī)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力及強(qiáng)度分析、并進(jìn)應(yīng)用計(jì)算機(jī)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力及強(qiáng)度分析、并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序已經(jīng)很多，一些大型結(jié)構(gòu)分行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序已經(jīng)很多，一些大型結(jié)構(gòu)分析程序的應(yīng)用，如析程序的應(yīng)用，如ANSYSANSYS、NASTRANNASTRAN、ADINAADINA、COSMOSCOSMOS，I-DEASI-DEAS、

29、等，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，、等，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，并且大大降低了設(shè)計(jì)成本。并且大大降低了設(shè)計(jì)成本。 壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)1. 壓力容器的主要特點(diǎn)壓力容器的主要特點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式 壓力容器主要的結(jié)構(gòu)形式為回轉(zhuǎn)殼，當(dāng)然最典型的是柱殼壓力容器主要的結(jié)構(gòu)形式為回轉(zhuǎn)殼，當(dāng)然最典型的是柱殼（常稱為筒體）和球殼（球罐和封頭等）。常見的結(jié)構(gòu)主（常稱為筒體）和球殼（球罐和封頭等）。常見的結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是：開孔、支撐、加強(qiáng)構(gòu)件等；殼體的厚度遠(yuǎn)小于要特點(diǎn)是：開孔、支撐、加強(qiáng)構(gòu)件等；殼體的厚度遠(yuǎn)小于殼體的曲率半徑；結(jié)構(gòu)不規(guī)則；異種材料連接等。殼體的曲率半徑；結(jié)構(gòu)不規(guī)則；異種材料連接等。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的主要

30、特點(diǎn)和用途還可以進(jìn)一部分類為：根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的主要特點(diǎn)和用途還可以進(jìn)一部分類為：塔式容器、臥式容器、換熱器、球罐等。塔式容器、臥式容器、換熱器、球罐等。有限元在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有限元在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)載荷形式載荷形式 1) 1) 壓壓 力：這是最重要的載荷形式，包括內(nèi)壓和外壓；力：這是最重要的載荷形式，包括內(nèi)壓和外壓； 2) 2) 熱載荷：主要是由于溫度梯度引起來的熱應(yīng)力；熱載荷：主要是由于溫度梯度引起來的熱應(yīng)力； 3) 3) 力和力矩：設(shè)備管道傳給設(shè)備的外力，附加載荷等力和力矩：設(shè)備管道傳給設(shè)備的外力，附加載荷等 4) 4) 地地 震：設(shè)備的地震也是必須

31、考慮的問題；震：設(shè)備的地震也是必須考慮的問題； 5) 5) 風(fēng)載荷：對于一些塔式容器和球罐，風(fēng)載荷也是主風(fēng)載荷：對于一些塔式容器和球罐，風(fēng)載荷也是主 要考慮的載荷；要考慮的載荷； 6) 6) 雪載荷：對我國北方地區(qū)的室外容器；雪載荷：對我國北方地區(qū)的室外容器；求解模式求解模式 靜力，動力，屈曲，疲勞，線彈性，彈塑性，非線性，接觸靜力，動力，屈曲，疲勞，線彈性，彈塑性，非線性，接觸等等壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)a) 各種接管各種接管 接管是必不可少的常見結(jié)構(gòu)。由于接管結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的幾接管是必不可少的常見結(jié)構(gòu)。由于接管結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的幾何不連續(xù)以及載荷復(fù)雜等因素，必然會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因何不連續(xù)以及載

32、荷復(fù)雜等因素，必然會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此接管部件是容器分析設(shè)計(jì)的主要對象。此接管部件是容器分析設(shè)計(jì)的主要對象。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)b) 球罐球罐 這類設(shè)備的分析主要考慮的載荷是內(nèi)壓、地震、風(fēng)、雪載這類設(shè)備的分析主要考慮的載荷是內(nèi)壓、地震、風(fēng)、雪載荷等，應(yīng)力集中的部位有支柱和灌體的連接部位、人孔接管荷等，應(yīng)力集中的部位有支柱和灌體的連接部位、人孔接管等地方的應(yīng)力集中等。其中支腿與球殼的連接形式在標(biāo)準(zhǔn)上等地方的應(yīng)力集中等。其中支腿與球殼的連接形式在標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)定了規(guī)定了4種：直連、種：直連、U型柱、拖板和翻邊結(jié)構(gòu)形式。型柱、拖板和翻邊結(jié)構(gòu)形式。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)c) 換熱器換熱器

33、換熱器是一種典型的壓力容器結(jié)構(gòu)型式，它的主要載荷形式是換熱器是一種典型的壓力容器結(jié)構(gòu)型式，它的主要載荷形式是內(nèi)壓（管程，殼程），熱載荷等。需要分析的主要包括管板、筒內(nèi)壓（管程，殼程），熱載荷等。需要分析的主要包括管板、筒體、換熱管膨脹節(jié)等部位。體、換熱管膨脹節(jié)等部位。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)d) 夾套設(shè)備夾套設(shè)備 這種設(shè)備最大的特點(diǎn)是容器內(nèi)和夾套內(nèi)都有壓力，存在壓力差，這種設(shè)備最大的特點(diǎn)是容器內(nèi)和夾套內(nèi)都有壓力，存在壓力差，對這種結(jié)構(gòu)的分析也有過節(jié)省大量資金的范例。對這種結(jié)構(gòu)的分析也有過節(jié)省大量資金的范例。橢橢圓圓封封頭頭夾夾套套接接管管結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)e) 臥式容

34、器臥式容器 這種設(shè)備除了要考慮設(shè)備的正常操作（運(yùn)行）工況外，還要考這種設(shè)備除了要考慮設(shè)備的正常操作（運(yùn)行）工況外，還要考慮運(yùn)輸，安裝等情況，同時(shí)還要分析支座的強(qiáng)度（包括各個(gè)方向慮運(yùn)輸，安裝等情況，同時(shí)還要分析支座的強(qiáng)度（包括各個(gè)方向的地震分析）的地震分析）罐體垂直吊裝工況應(yīng)力分析結(jié)果罐體垂直吊裝工況應(yīng)力分析結(jié)果 固定鞍座有限元模型：自重計(jì)固定鞍座有限元模型：自重計(jì)算壓力縱向水平地震載荷工況算壓力縱向水平地震載荷工況壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)f) 塔器塔器 這類設(shè)備最大的特點(diǎn)是長徑比大并豎直放置，承受載荷相對復(fù)這類設(shè)備最大的特點(diǎn)是長徑比大并豎直放置，承受載荷相對復(fù)雜。所以要考慮其支撐部位（或

35、吊耳等方式）的強(qiáng)度，地震和風(fēng)雜。所以要考慮其支撐部位（或吊耳等方式）的強(qiáng)度，地震和風(fēng)載荷也是需要考慮的主要載荷形式。載荷也是需要考慮的主要載荷形式。塔器的裙座熱分析塔器的裙座熱分析一種塔器的分析（用一種塔器的分析（用ABAQUS）壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)g) 加氫反應(yīng)器加氫反應(yīng)器 該類設(shè)備是石化行業(yè)很重要的設(shè)備，造價(jià)很高，用鋼該類設(shè)備是石化行業(yè)很重要的設(shè)備，造價(jià)很高，用鋼量很大，所以，加氫反應(yīng)器采用分析設(shè)計(jì)是非常必要的，量很大，所以，加氫反應(yīng)器采用分析設(shè)計(jì)是非常必要的，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。通過熱分析得到得加氫反應(yīng)器裙座的溫度分布圖通過熱分析得到得加氫反應(yīng)器裙座的溫度分布圖

36、壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)2) 標(biāo)準(zhǔn)研究標(biāo)準(zhǔn)研究 借助于有限元，我們對現(xiàn)行的借助于有限元，我們對現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了具體的專項(xiàng)研究，這標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了具體的專項(xiàng)研究，這里僅僅以球罐為例進(jìn)行說明。里僅僅以球罐為例進(jìn)行說明。 我們研究了球罐支腿和球殼的我們研究了球罐支腿和球殼的不同的連接（傳統(tǒng)的和幾中新的不同的連接（傳統(tǒng)的和幾中新的結(jié)構(gòu)形式）方式對各種載荷下應(yīng)結(jié)構(gòu)形式）方式對各種載荷下應(yīng)力分布的影響。也研究了在各種力分布的影響。也研究了在各種載荷下，由于支腿位置和方位不載荷下，由于支腿位置和方位不同而對應(yīng)力分布的影響等。同時(shí)，同而對應(yīng)力分布的影響等。同時(shí)，進(jìn)行了象對凸圓這種新進(jìn)行了象對凸圓這種新“人孔人

37、孔”結(jié)結(jié)構(gòu)型式應(yīng)力分布狀況的研究，等構(gòu)型式應(yīng)力分布狀況的研究，等等。等。新型的球罐支腿連接方式新型的球罐支腿連接方式3) 超規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)局部驗(yàn)超規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)局部驗(yàn)算算 大開孔問題，特殊結(jié)構(gòu)大開孔問題，特殊結(jié)構(gòu)（如夾套，切向接管等等（如夾套，切向接管等等結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)），整個(gè)容器結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)），整個(gè)容器結(jié)構(gòu)可以按照常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)可以按照常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但局部仍需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，但局部仍需要進(jìn)行有限元分析得到其應(yīng)力強(qiáng)有限元分析得到其應(yīng)力強(qiáng)度得分布，強(qiáng)度上滿足標(biāo)度得分布，強(qiáng)度上滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。準(zhǔn)要求。加加強(qiáng)強(qiáng)的的四四通通應(yīng)應(yīng)力力分分布布大大開開孔孔結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)4) 在役設(shè)備壽命的評在役設(shè)備壽命的評估估 當(dāng)發(fā)現(xiàn)在役設(shè)

38、備有當(dāng)發(fā)現(xiàn)在役設(shè)備有缺陷后，是否可以繼缺陷后，是否可以繼續(xù)使用？是否可降低續(xù)使用？是否可降低條件使用？還可以用條件使用？還可以用多少年等，是很多老多少年等，是很多老企業(yè)所關(guān)心的問題。企業(yè)所關(guān)心的問題。借助有限元分析就可借助有限元分析就可以解決這些問題。以解決這些問題。十五計(jì)劃的重點(diǎn)科研課題十五計(jì)劃的重點(diǎn)科研課題研究（缺陷管道的壽命評研究（缺陷管道的壽命評估，獲國家發(fā)明二等獎）估，獲國家發(fā)明二等獎）壓力容器技術(shù)進(jìn)展 壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性 2. 2. 壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)因?yàn)榇蟛糠值脑O(shè)計(jì)問題往往有多于一個(gè)的可行解，所以應(yīng)因?yàn)榇蟛糠值脑O(shè)計(jì)問題往往有多于一個(gè)的可行解，所以應(yīng)用優(yōu)化方法，

39、協(xié)助選擇出一個(gè)好的設(shè)計(jì)，使決策不但技術(shù)上用優(yōu)化方法，協(xié)助選擇出一個(gè)好的設(shè)計(jì)，使決策不但技術(shù)上可行，而且關(guān)于某些準(zhǔn)則是最優(yōu)的?？尚校谊P(guān)于某些準(zhǔn)則是最優(yōu)的。傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)由于專業(yè)理論與計(jì)算工具的限制，是根據(jù)傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)由于專業(yè)理論與計(jì)算工具的限制，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和判斷先制定設(shè)計(jì)方案，隨后對所確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)和判斷先制定設(shè)計(jì)方案，隨后對所確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析校核，是一個(gè)邊試邊改的過程，亦稱為設(shè)計(jì)分析。而優(yōu)分析校核，是一個(gè)邊試邊改的過程，亦稱為設(shè)計(jì)分析。而優(yōu)化設(shè)計(jì)是要綜合各方面的因素、要求、約束、指標(biāo)、設(shè)計(jì)質(zhì)化設(shè)計(jì)是要綜合各方面的因素、要求、約束、指標(biāo)、設(shè)計(jì)質(zhì)量檢驗(yàn)等等，產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案

40、，稱為設(shè)計(jì)綜合。設(shè)計(jì)量檢驗(yàn)等等，產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，稱為設(shè)計(jì)綜合。設(shè)計(jì)綜合最重要的特點(diǎn)，是對設(shè)計(jì)問題通過數(shù)學(xué)模型的運(yùn)作應(yīng)用綜合最重要的特點(diǎn)，是對設(shè)計(jì)問題通過數(shù)學(xué)模型的運(yùn)作應(yīng)用優(yōu)化方法求解，從而保證了方案具有最好的質(zhì)量。而設(shè)計(jì)分優(yōu)化方法求解，從而保證了方案具有最好的質(zhì)量。而設(shè)計(jì)分析則不能保證求出最優(yōu)解。析則不能保證求出最優(yōu)解。 等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì) 一臺完整的壓力容器是由封頭、筒體、一臺完整的壓力容器是由封頭、筒體、人孔、接管、設(shè)備法蘭系統(tǒng)等受壓元件組成，各個(gè)受壓元件人孔、接管、設(shè)備法蘭系統(tǒng)等受壓元件組成，各個(gè)受壓元件的強(qiáng)度對壓力容器都相當(dāng)重要。使用時(shí)，其中一個(gè)元件的破的強(qiáng)度對壓力容器

41、都相當(dāng)重要。使用時(shí)，其中一個(gè)元件的破壞即會導(dǎo)致整個(gè)容器的失效，所以整個(gè)容器的強(qiáng)度就相當(dāng)于壞即會導(dǎo)致整個(gè)容器的失效，所以整個(gè)容器的強(qiáng)度就相當(dāng)于這個(gè)最先破壞部件的強(qiáng)度。在壓力容器使用過程中，我們最這個(gè)最先破壞部件的強(qiáng)度。在壓力容器使用過程中，我們最不希望出現(xiàn)的情況是小的部件如接管、人孔、法蘭最先破壞不希望出現(xiàn)的情況是小的部件如接管、人孔、法蘭最先破壞而導(dǎo)致整體容器失效，而實(shí)際上往往就是這些小部件出現(xiàn)問而導(dǎo)致整體容器失效，而實(shí)際上往往就是這些小部件出現(xiàn)問題而降低了整個(gè)容器的使用可靠性和安全性。因此，應(yīng)使設(shè)題而降低了整個(gè)容器的使用可靠性和安全性。因此，應(yīng)使設(shè)計(jì)的壓力容器組成元件不要出現(xiàn)強(qiáng)度差異太大的狀

42、況，其最計(jì)的壓力容器組成元件不要出現(xiàn)強(qiáng)度差異太大的狀況，其最合理的設(shè)計(jì)方法就是等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。即利用容器的最大允合理的設(shè)計(jì)方法就是等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。即利用容器的最大允許工作壓力對各個(gè)受壓元件進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核，使價(jià)值相對于許工作壓力對各個(gè)受壓元件進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核，使價(jià)值相對于筒體、封頭小的部件（如接管、人孔、設(shè)備法蘭）之強(qiáng)度大筒體、封頭小的部件（如接管、人孔、設(shè)備法蘭）之強(qiáng)度大于或等于筒體、封頭的強(qiáng)度，即使是在小部件上多用些材料于或等于筒體、封頭的強(qiáng)度，即使是在小部件上多用些材料也是經(jīng)濟(jì)的。因此通過等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高壓力容器的整也是經(jīng)濟(jì)的。因此通過等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)可提高壓力容器的整體安全性及經(jīng)濟(jì)性。體

43、安全性及經(jīng)濟(jì)性。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 在實(shí)際的受壓元件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)壓力作為一種預(yù)期的設(shè)計(jì)載在實(shí)際的受壓元件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)壓力作為一種預(yù)期的設(shè)計(jì)載荷代入公式得到計(jì)算厚度荷代入公式得到計(jì)算厚度 。最終的名義厚度。最終的名義厚度nn是根據(jù)計(jì)算厚度是根據(jù)計(jì)算厚度 和考慮到各種材料的材質(zhì)和規(guī)格不同而得到的，它是計(jì)算厚度和考慮到各種材料的材質(zhì)和規(guī)格不同而得到的，它是計(jì)算厚度加上厚度附加量向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。由于圓整量的加上厚度附加量向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。由于圓整量的存在，它的有效厚度存在，它的有效厚度ee大于計(jì)算厚度。因此，這個(gè)受壓元件實(shí)際大于計(jì)算厚度。因此，這個(gè)受壓元件實(shí)際允許

44、承受的最大工作壓力大于設(shè)計(jì)壓力。該壓力就是該受壓元件允許承受的最大工作壓力大于設(shè)計(jì)壓力。該壓力就是該受壓元件的最大允許工作壓力的最大允許工作壓力PwPw，它是這個(gè)受壓元件的客觀屬性。一個(gè)，它是這個(gè)受壓元件的客觀屬性。一個(gè)完整的容器由多個(gè)受壓元件組成。由于各個(gè)受壓元件的最大允許完整的容器由多個(gè)受壓元件組成。由于各個(gè)受壓元件的最大允許工作壓力不盡相同，各元件中最大允許工作壓力最小的受壓元件工作壓力不盡相同，各元件中最大允許工作壓力最小的受壓元件就決定了整個(gè)容器的最大允許工作壓力。就決定了整個(gè)容器的最大允許工作壓力。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 由于容器的最大允許工作壓力是由各受壓元件的最大允許由

45、于容器的最大允許工作壓力是由各受壓元件的最大允許工作壓力中的最小值決定的。工作壓力中的最小值決定的。所以最大允許工作壓力最小的所以最大允許工作壓力最小的元件應(yīng)取材料用量多、投資比例最大的部件，一般應(yīng)選取筒元件應(yīng)取材料用量多、投資比例最大的部件，一般應(yīng)選取筒體或封頭比較經(jīng)濟(jì)合理。體或封頭比較經(jīng)濟(jì)合理。因此，應(yīng)該首先以設(shè)計(jì)壓力因此，應(yīng)該首先以設(shè)計(jì)壓力PcPc為基準(zhǔn)計(jì)算筒體和封頭等容為基準(zhǔn)計(jì)算筒體和封頭等容器殼體的厚度，再用筒體或封頭的最大允許工作壓力對其它器殼體的厚度，再用筒體或封頭的最大允許工作壓力對其它受壓元件逐個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核，以確保所有其它受壓元件的受壓元件逐個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核，以確保所有其

46、它受壓元件的最大允許工作壓力大于或等于筒體或封頭的最大允許工作壓最大允許工作壓力大于或等于筒體或封頭的最大允許工作壓力，如此，使整個(gè)容器在強(qiáng)度得以保證前提下，提高整個(gè)容力，如此，使整個(gè)容器在強(qiáng)度得以保證前提下，提高整個(gè)容器的經(jīng)濟(jì)性。器的經(jīng)濟(jì)性。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 壓力容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)壓力容器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì) 從設(shè)計(jì)的角度，如果在保證從設(shè)計(jì)的角度，如果在保證其它要求的情況下，降低壓力容器殼體質(zhì)量便能有效地減少其它要求的情況下，降低壓力容器殼體質(zhì)量便能有效地減少設(shè)備總質(zhì)量，從而達(dá)到提高其綜合經(jīng)濟(jì)性能的目的。對具體設(shè)備總質(zhì)量，從而達(dá)到提高其綜合經(jīng)濟(jì)性能的目的。對具體優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，并不是要

47、求對所有的基本參數(shù)都用優(yōu)化方法優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，并不是要求對所有的基本參數(shù)都用優(yōu)化方法進(jìn)行修改調(diào)整。壓力容器殼體質(zhì)量是由內(nèi)徑進(jìn)行修改調(diào)整。壓力容器殼體質(zhì)量是由內(nèi)徑DiDi、筒體長度、筒體長度L L和壁厚和壁厚 來確定的，在設(shè)計(jì)參數(shù)一定的情況下，由來確定的，在設(shè)計(jì)參數(shù)一定的情況下，由DiDi和和L L可確可確定殼體壁厚定殼體壁厚n , n , 因此可選擇殼體的形狀參數(shù)因此可選擇殼體的形狀參數(shù)DiDi、L L作為設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)變量。變量。其中的約束條件有容積，材料強(qiáng)度，最小壁厚，容器試驗(yàn)其中的約束條件有容積，材料強(qiáng)度，最小壁厚，容器試驗(yàn)壓力下的應(yīng)力允許值等。目標(biāo)函數(shù)就是殼體質(zhì)量。實(shí)質(zhì)是求壓力下的應(yīng)力允許

48、值等。目標(biāo)函數(shù)就是殼體質(zhì)量。實(shí)質(zhì)是求解具有不等式約束的優(yōu)化問題。解具有不等式約束的優(yōu)化問題。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 在壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)、計(jì)算范圍和優(yōu)化步長確定在壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)、計(jì)算范圍和優(yōu)化步長確定的情況下，任何一臺壓力容器都存在著一個(gè)使殼體的情況下，任何一臺壓力容器都存在著一個(gè)使殼體質(zhì)量最小的最佳設(shè)計(jì)方案，因此采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，質(zhì)量最小的最佳設(shè)計(jì)方案，因此采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用一些精確度較高的力學(xué)的數(shù)值分并借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用一些精確度較高的力學(xué)的數(shù)值分析方法進(jìn)行分析計(jì)算，從大量的可行設(shè)計(jì)方案中尋析方法進(jìn)行分析計(jì)算，從大量的可行設(shè)計(jì)方案中尋找出一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，是科技發(fā)展的

49、必然結(jié)果。找出一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，是科技發(fā)展的必然結(jié)果。另外，按照壽命周期費(fèi)用（設(shè)置費(fèi)加維持費(fèi)）最另外，按照壽命周期費(fèi)用（設(shè)置費(fèi)加維持費(fèi)）最低的原則進(jìn)行設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是目前優(yōu)化設(shè)計(jì)的低的原則進(jìn)行設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是目前優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。發(fā)展趨勢。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 3. 3. 壓力容器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)壓力容器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CADCAD（Computer Computer Aided DesignAided Design）、）、CAECAE技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了普遍推廣應(yīng)用。通過了普遍推廣應(yīng)用。通過CADCAD

50、技術(shù)可以讓設(shè)計(jì)者方便技術(shù)可以讓設(shè)計(jì)者方便地表達(dá)其富有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思想，減少簡單重復(fù)勞地表達(dá)其富有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思想，減少簡單重復(fù)勞動，縮短概念設(shè)計(jì)的周期，從而提高設(shè)計(jì)的效率和動，縮短概念設(shè)計(jì)的周期，從而提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。質(zhì)量。壓力容器技術(shù)進(jìn)展 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)壓力容器技術(shù)進(jìn)展 壓力容器屬于多品種、單件或小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。在市場壓力容器屬于多品種、單件或小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。在市場經(jīng)濟(jì)中，要求產(chǎn)品的交貨期愈來愈短，其設(shè)計(jì)繪圖工作相當(dāng)經(jīng)濟(jì)中，要求產(chǎn)品的交貨期愈來愈短，其設(shè)計(jì)繪圖工作相當(dāng)繁重，因此，在壓力容器設(shè)計(jì)中大力開發(fā)推廣繁重，因此，在壓力容器設(shè)計(jì)中大力開發(fā)推廣CADCAD技術(shù)，必技術(shù)，必將對壓力容器設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效果起到巨大促進(jìn)作用。將對壓力容器設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效果起到巨大促進(jìn)作用。另外，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（另外，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CADCAD）正在逐步向計(jì)算機(jī)）正在逐步向計(jì)算機(jī)輔助工程（輔助工程（CAECAE）的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)能力的增強(qiáng)、分）的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)能力的增強(qiáng)、分析手段的提高，使設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)見到諸如析手段的提高，使設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)見到諸如焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、設(shè)備組裝和運(yùn)輸過程中可能會焊