文 献 综 述

压力容器设计是一个创新意识非常活跃的工程领域,它紧跟着科学技术的发展而不断地更新设计方法。随着弹性理论、板壳理论和线性有限元分析方法的成熟,20世纪60年代,压力容器界提出了基于弹性应力分析和塑性失效准则的”弹性应力分析设计方法”。^[1] 进入21世纪后,由于塑性理论和非线性有限元分析方法的日趋成熟,欧盟标准^[2]和ASME规范^[3]又先后推出了压力容器的塑性分析设计方法。霍奇的专著^[4-5]是关于板壳结构极限分析基本理论和解析解的经典著作。压力容器的设计应当安全、可靠、经济。系统设置安全阀时,压力容器的设计压力 P 与工作压力 Pw 和安全阀整定压力 Pz 有关。^[6] 压力容器在承压状态下工作, 并且所接触的介质多为高温或易燃易爆物。 它们在使用过程中一旦发生事故, 就会危及正常生产, 甚至可能引起火灾、 中毒、 爆炸等恶性事故, 给人们的生命财产造成不可估量的损失。 因此在设计压力容器或进行压力容器安全评价时, 应遵循合理的失效准则, 确定应力达到什么程度时, 压力容器将达到安全使用上限。^[7] 平封头厚度计算以弹性力学圆形平板应力分析为基础,在理论分析时平板的周边支承被视为固支或简支。^[8]但实际上平盖与圆筒连接时,真实的支承既不是固支也不是简支,传统的压力容器设计理论认为是介于之间的。因此工程计算时常采用圆平板理论为基础的经验公式,通过修正系数来体现平盖周边的支承情况。^[9] 平封头是工程中广泛使用的封头结构之一。它具有结构简单、制造方便等特点。^[10]但美中不足的是平封头设计厚度往往很大,为了减薄平板的厚度,工程上常采用加强筋结构。但是对于这类平封头的设计,国家没有相关的标准,大多数都是根据经验设计的。即使支承在正交等距离支柱上的矩形平板,其挠度和应力的函数解也是相当的复杂。对于此类平封头,由于支撑的不规则性,目前还没有函数解。^[11]所以我们运用Ansys有限元分析程序对平封头进行分析。^[12] 物体受到荷载作用后将产生变形。当荷载不大时,卸载后物体的变形可以全部恢复,即保持原有的形状和尺寸,这种可以全部恢复的

变形称为弹性变形^[13,14],此时物体处于弹性阶段。^[15] 当荷载超过一定限度时,在物体某些部分内,任意点上的应变将不随应力的消失而恢复,物体将产生不可恢复的变形。这种不可恢复的变形称为塑性变形。^[16-18]有限元法是把连续介质离散成一组单元,

使无限自由度问题转化成有限自由度,利用计算机进行求解。^[19,20] 美国ASME委

员会也根据PVRC几十年来的研究工作成果于2007年颁布了从内容到形式都是全新的(《锅炉和压力容器规范》第八卷第2分篇,即2007 Edition VIII-2其中在分析设计部分,除了应力分类方法和极限载荷法外,也给出了一种新的设计方法-弹塑性方法(Elastic-plastic Method )。^[21]这两个标准颁布以后,对我国的压力容器设计人员和从事压力容器设计技术的研究人员都有很大的触动和启发,多篇文章对这两个标准规范的一些基本思想进行了介绍和讨论。^[22-25]

ASME VIII -2 ( 2007版)中的弹-塑性方法

ASME VIII-2的2007版除了给出应力分类法和极限载荷法两种分析设计方法外,还比老版的ASME VIII-2增加了一种称之为弹-塑性方法的分析设计方法,该方法可用于针对所有失效模式的分析设计。在VIII-2中,引人了”载荷系数”( Load Factor)的概念,使用该系数的意义实际上与直接法中关于载荷和材料的分安全系数相同。载荷系数的取值与分析设计方法和载荷组合工况有关,该系数的使用连同材料性能参数的安全系数一起构成了分析设计结果的安全裕量。但在极限载荷法和弹-塑性方法中,材料的安全系数已被组合进载荷系数中。如在采用弹-塑性方法进行塑性垮塌失效校核计算时,对于压力、液柱压力、重量这三个载荷不与其他载荷同时作用的载荷系数均为2. 4;而当与其他载荷同时作用时,它们的载荷系数变为:

其中,1.2为与其他短时载荷组合时的载荷系数,1.4为文^[26]中规定对持久载荷的基本系数。然而,VIII-2中的弹-塑性方法针对塑性垮塌失效的极限条件直接定义为在所加载荷条件下能获得收敛解。因此,弹-塑性方法对结构的几何形状没有限制。另一个区别是屈服条件,直接法遵循Tresca屈服条件,而弹-塑性方法遵循Mises屈服条件。虽然按EN 13445,在直接法中,针对总体塑性失效模式校核,也可采用Mises屈服条件,只需将计算中用的屈服点乘以√3/2。^[27]但在实际分析过程中,按Mises屈服条件的计算结果将比按Tresca屈服条件的计算结果保守。文献[^28]中介绍和评述了压力容器分析设计的弹性应力分析方法(又称应力分类法)的最新进展。文献^[29,30]介绍了Ansys在现代化工设备制造中的应用。

参考文献

[1] 陆明万,寿比南,杨国义. 压力容器分析设计的塑性分析方法[J] 压力容器 2009,10 :12-17.

[2]　EN 13445: 2002. (E) Unfired Pressure Vessels, Part3: Design [S]. 2002.