《简述压力容器分析设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简述压力容器分析设计.pdf（2页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、52 机械 2007年增刊 总第34卷 收稿日期：20070315 作者简介：周峻（1967） ，男，工程师，1989 年毕业于浙江工学院化工设备与机械专业，长期从事一、二类压力容器设计工作。 简述压力容器分析设计 周峻 （绍兴银球压力容器制造有限公司，浙江 上虞 312300） 摘要：简述了压力容器分析设计一些基本问题，如应力分类、评定准则等。 关键词：分析设计；应力分类；评定准则 我国现行的压力容器规范是以弹性失效准则为基础 制定的，采用的是第一强度理论，设计计算公式主要是材 料力学和板壳理论为基础。它的特点是比较简便易行，但 考虑问题不够全面， 也缺乏针对性。 为了容器的安全运行， 一般
2、都采用较高的安全系数。实践证明，这种做法在过去 是可行的，也具有足够的可靠性。但随着科学的进步，压 力容器的尺寸愈来愈大，而且不仅承受高压，有时还伴随 高温，同时载荷或温度也可能产生波动。如果仍按常规设 计法来进行设计， 用增大容器壁厚的办法来控制材料在弹 性范围内工作，显然是不合理的，也是不现实的。因此， 为了合理使用钢材， 确保压力容器在条件十分复杂苛刻情 况下的安全运行， 有必要采用新的设计规点分析设计 方法。 压力容器分析设计以塑性失效为准则， 采用第三强度 理论，设计计算手段是弹塑性理论和有限元应力分析，安 全系数比常规设计小，材料和制造检验比常规设计要求 高。 一般分析设计采用两种
3、方法， 一是直接弹塑性分析法， 进行极限载荷和安定性分析；二是进行弹性名义应力分 析， 对应力分类进行评定。 塑性分析要分步加载迭代计算， 不同的结构，载荷步设置不同，收敛速度和精度不同，塑 性分析计算时间长，有限元计算规模小，只能进行压力容 器的局部结构分析，对分析计算人员的要求高。对量大面 广的压力容器分析设计，主要是采用弹性名义应力分析， 对应力分类进行评定。 以下简述这一方法中的应力分类和 评定准则。 1 基本概念和应力分类根据 1.1 基本概念 （1）应力强度 S，系组合应力基于第三强度理论的 当量强度，即给定点最大主应力代数值1与最小主应力 代数值之差值的绝对值。应力强度 13 =
4、-S （2）总体结构不连续，由于几何不连续或材料不连 续而引起结构在较大范围内应力或应变发生变化， 会对结 构的应力分布与变形产生显著的影响者。如不同壳体连 接、封头和筒体连接处等。 （3）局部结构不连续，由于几何不连续或材料不连 续而仅仅造成很小范围内的应力或应变发生变化， 对结构 总的应力分布和变形无显著影响者。 例如壳体与小附件连 接处等。 1.2 应力分类根据 （1）应力的起因、应力所需满足条件和应力性质： 由机械载荷引起， 满足外载荷平衡条件或由于相互约束引 起（包括热应力）需满足变形协调条件。前者是非自限性 的，后者是自限性的。 （2）应力范围：总体、局部或集中。 （3）应力沿截面
5、的分布；均布、线性、非线性。 2 应力分类 应力分析设计方法按照应力的不同性质将应力分为 三类。 2.1 一次应力 由平衡压力与其它机械载荷所必须的内力或内力矩 机械 2007年增刊 总第34卷 53 产生的法向应力或剪应力。一次应力属于非自限性应力， 达到极限状态，即使载荷不再增加，仍可产生不可限制的 塑性流动，直至破坏。分以下三类： （1）一次总体薄膜应力Pm：沿厚度方向均匀分布， 影响范围遍及整个受压元件，一旦达到屈服点，受压元件 整体发生屈服， 应力不重新分布， 一直到整体破坏。 例如， 薄壁圆筒中由受内压引起的环向薄膜压力。 （2）一次局部薄膜应力PL：是应力水平超过一次总 体薄膜应
6、力而影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜 应力。 局部应力区指沿经线方向延伸距离不大于1.0 Rt , 应力强度超过1.1Sm的区域，R为第二曲率半径，Sm为材 料的设计应力强度值。应该指出，在标准中一次局部薄膜 应力是指局部应力区薄膜应力的总量， 即在局部应力区内 Pm为PL的组成部分。当结构局部发生塑性流动时，这类 应力将重新分布，但若不加限制，当载荷从结构的某一部 分传递到周边地区的结构， 有可能产生过度塑性变形而致 破坏。 在壳体与固定支座或与接管连接处由外加载荷引起 的薄膜应力便是一次局部薄膜应力的实例。 由结构不连续 效应产生的一次局部薄膜应力，具有一定的自限性，表现 出二次应力的
7、特征， 不过从保守和方便的角度考虑仍划为 一次应力。 （3）一次弯曲应力Pb：是平衡压力或其它机械载荷 所需沿厚度方向线性分布的弯曲应力， 例如周边简支的受 侧面压力的圆平板中心处的弯曲应力。 2.2 二次应力Q 在外部载荷下， 由于相邻构件间的约束或构件自身的 约束引起，需要满足变形连续条件，包括法向应力和切向 应力都称为二次应力，具有自限性。构件发生局部屈服和 小量塑性变形就可以使变形协调条件得到部分或全部的 满足，从而限制塑性变形不再发展，并可以缓解以至消除 产生这种应力的原因。只要不重复加载，二次应力不会导 致结构的破坏。 在结构内的一次应力能确保安全承受外载 以及材料有足够的延性的前
8、提下， 二次应力水平的高低对 结构承受静载能力并无影响。只在循环和交变载荷下，二 次应力会导致结构丧失安定。 2.3 峰值应力F 是由局部结构不连续和局部热应力引起的叠加到一 次加二次应力上的应力增加量，不会引起明显的变形，一 般同时具有自限性和局部性， 其危害性仅仅是引起疲劳或 脆性断裂。 例如壳体与接管连接处由于局部结构不连续所 引起的超过一次和二次应力的应力增量。 3 评定准则 一次总体薄膜应力强度：PmKSm （1） 一次局部薄膜应力强度：PL1.5KSm （2） 一次薄膜加一次弯曲应力强度：PL+Pb1.5KSm （3） 一次加二次应力强度：PL+Pb+Q3Sm （4） 总（峰值）应
9、力强度： PL+Pb+Q+F（交变幅） 2Sa （5） 总应力强度（三向主应力和） ： S1+S2+S34Sm （6） 评定准则式（1）式（3）是控制一次应力强度，可 由塑性极限载荷分析PPs/ns(Ps为塑性极限载荷，ns为极 限载荷安全系数，一般取1.5)代替；评定准则式（4）是 控制塑性疲劳和递增性塑性变形（棘轮效应） ，可由加、 卸载塑性安定性分析代替；评定准则式（5）是控制弹塑 性疲劳，评定准则式（6）是控制脆断。 4 规范设计与分析设计的一致性 随着压力容器材料性能、制造、检验水平的提高，力 学和分析手段的不断进步， 我国压力容器设计标准规范也 有了很大的进步，比如我国的GB150
10、中的锥壳大小段和 无折边球形封头（球冠）也是以分析设计应力分类法评定 进行的，GB150中的管板设计也属分析设计的范畴。 5 应力分类法设计 应力分类法是弹性应力分析， 按塑性失效准则的应力 分类评定法，是一种近似的工程方法，对弹性名义应力， 按塑性失效准则分类， 要得到准确无误的分类几乎是不可 能的， 结构屈服后应力的重分布与屈服点周围的结构和载 荷分布有关，即一危险截面（评定路径、支承线）塑性行 为与其周围的应力水平有关，对一危险截面进行应力分 类，要根据周围的应力分布衰减情况而定，只根据评定路 径的应力是无法确定应力类型的。真正的分析设计，只有 进行塑性极限载荷分析，加卸载塑性安定性分析。