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壓力容器解析預設的受力類比法和塑形解析法

壓力容器解析預設的受力類比法和塑形解析法

發布日期:2018-06-22 作者:鹽城市大明化工機械有限公司 點擊:

 對于反復加、卸載(即交變載荷情況)對應于彈塑性失效準則:當外載荷小于安定載荷時,結構是安定的;當外載荷大于安定載荷時,便開始進入緩慢的塑性變形積累過程;最終會導致容器或其部件失效。


  “塑性分析法”則是對結構直接進行塑性分析或求其極限載荷、安定載荷,再對設計載荷加以控制。它不涉及應力分類與其相關的問題。由于分析設計允許結構出現塑性變形,因而在其應力分析中不可避免地要涉及塑性力學的計算,但是塑性力學不同于彈性力學,它比較復雜(特別是本構關系)求解問題難度大;二者不同之處可用表1來說明:從表中可以看出塑性力學與彈性力學相比計算要復雜得多,除了一些靜定的塑性力學問題(只涉及平衡方程、屈服條件、邊界條件,未涉及本構關系的問題)可得出解析結果外,其它問題求解起來難度就十分大。彈性力學與塑性力學相比而言就較為容易,方法也成熟,避開了非線性的困擾<1>。因此,美國ASME鍋爐與壓力容器規范首先提出彈性應力分析與塑性理論相結合的辦法即“應力分類法”。這種彈性應力分析與塑性理論相結合的辦法經過多年的實踐,表明標準中所給出的應力強度極限是安全可靠的;只是對于不同結構,其系數作了相應調整,目的是為確保結構安全。


  總的來說,根據多年來使用情況看,標準這樣處理(即采用A、B、C等式)對大多數結構是安全的。


  應力分類在原理上是清楚的,定義也是明確的,沒有人為因素(不包括對定義的曲解),但具體怎么分則帶有經驗性與人為因素。對于實際問題有些情況就不那么好區分:一次應力是為平衡壓力與其它機械載荷所必須的應力,但平衡外載荷的靜力可能解不是唯一的,它加上一個自平衡力系仍然可以與外載荷平衡;對于二次應力,若把相互協調的兩部分作為整體考慮,二次應力是自平衡力系,其合力與合力矩為零,但就某個斷面而言,二次應力也有相應的合力與合力矩,它也會參與到靜力等效中去,二次應力與一次應力相混,造成了應力分解的困難;還有,在靜力等效處理后的薄膜應力與彎曲應力究竟屬于一次性質還是二次性質也不是那么容易區分的。


 ?。ㄆ涫翟諏ρ?,應力本身就是應力,無所謂應力分類,只是在壓力容器進行分析設計時才引入了這個概念)。


  應力分類是建立在板殼理論的基礎上<1>,而目前對無法得出解析解的結構均采用有限元分析,這已成為工程設計中的首選方法。但是有限元分析存在(特別是三維有限元分析)與應力分類原則不相匹配的問題<3>。因此,美國分析設計標準并未明確允許使用有限元法進行應力分析。因為將有限元計算結果分解,并按標準中對各類應力的定義進行分類是比較困難的。壓力容器分析設計標準對如何保證有限元計算的準確性(有限元法的單元選取,網格劃分等對計算結果都會產生影響,有時會得到差別很大的結果)特別是對求出來的應力如何分類并沒有給出指導性的原則。為此,美國ASME制定了短期、中期、與長期研究計劃<4>,主要內容如:明確應力分類與失效機理的關系;標準中擬給出如何選取應力分類校核線(面),幫助分析設計人員選擇合理的位置與方向;把計算出的應力如何區分出Pm(PL)、Pb、Q、F給予指導;特別是常被錯誤理解的(PL+Pb)在三維實體單元分析時給出失效機理并提出新的方法;在二維與三維分析中對(PL+Pb)與(P+Q)的極限給出明確的“指標”;對應力類別加以驗證等等……但到目前為止,在ASME標準中尚未體現出以上內容的研究成果,足以說明這個問題的難度。


  對球殼上的作用力T是與接管處的T相平衡,而接管上的力T是平衡內壓p(或另有其它機械載荷)的。球殼上力T則可分解為法向力F與切向力N,由F與N引起邊緣應力中的薄膜應力與彎曲應力則應具有一次性質。除此之外,對于(1a)的分解情況,球殼開孔接管連接處水平位移不連續,為了保持二者位移連續(即變形協調)出現橫剪力Q與力矩M(1b),它們所引起的邊緣應力則均具有二次性質;所以,在球殼邊緣區存在著兩種性質的彎曲應力(二者的大小則與球殼、接管的幾何尺寸有關)。但在有限元計算之后,經過等效線性化處理,得出的是含有上述兩種性質彎曲應力的合彎曲應力,因此,如果將合彎曲應力當作二次應力處理,則設計偏于不安全,如果將它視為一次彎曲應力則又偏于保守,這個例子說明在連接處彎曲應力為何性質是不易區分的,這也是美國ASME研究計劃<4>中對此特別關注的原因。我國容器分析設計人員在許多壓力容器分析設計的應力分析報告中,對SⅢ(由PL+Pb算得)采取了回避的的做法,在應力強度校核中跳過這一項,這樣做是不妥當的,也是不符合標準要求的。


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