壓力容器分析設(shè)計方法

1彈性應(yīng)力分析方法

1.1壓力容器中的應(yīng)力分類

1.1.1應(yīng)力分析設(shè)計法概述

1.1.2容器的應(yīng)力分類

1.1.3壓力容器典型零部件中的應(yīng)力分布

1.2極限設(shè)計法和安定狀態(tài)

1.2.1極限設(shè)計法

1.2.2安定狀態(tài)——確定二次應(yīng)力許用值的依據(jù)

1.3應(yīng)力分析設(shè)計法對各類許用應(yīng)力值的限制

1.3.1壓力容器設(shè)計中對各類應(yīng)力值的限制

1.3.2以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法的應(yīng)用

2應(yīng)力分類結(jié)果的線性化

2.1等效線性化方法概述

2.2應(yīng)力分類線的選擇

2.3應(yīng)力線性化方法

2.3.1應(yīng)力積分法

2.3.2以節(jié)點力為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

2.3.3基于應(yīng)力積分的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

2.4應(yīng)力線性化有限元舉例

3彈塑性分析

3.1材料本構(gòu)模型

3.1.1實驗法

3.1.2計算法

3.1.3ANSYS材料模型

3.2載荷情況

3.3總體塑性變形失效

3.4極限分析法求總體載荷

3.4.1極限分析理論基礎(chǔ)

3.4.2極限分析有限元實例

3.5彈塑性分析求總體載荷

3.5.1防局部失效的一般方法

3.5.2應(yīng)變極限損傷法

3.6ANSYS非線性分析介紹

3.6.1材料非線性

3.6.2幾何非線性

3.6.3非線性求解過程

3.7彈塑性有限元分析實例

4壓力容器的應(yīng)力疲勞設(shè)計

4.1疲勞曲線與方程式

4.1.1高循環(huán)疲勞曲線

4.1.2低循環(huán)疲勞曲線

4.1.3低循環(huán)疲勞曲線方程式

4.2平均應(yīng)力對低循環(huán)疲勞的影響

4.2.1平均應(yīng)力的真實值與“虛擬應(yīng)力”大小的關(guān)系

4.2.2考慮平均應(yīng)力影響后的疲勞壽命計算

4.2.3低循環(huán)疲勞曲線的修正

4.3結(jié)構(gòu)對低循環(huán)疲勞的影響

4.3.1接管連接及焊縫型式的影響

4.3.2接管方位和幾何參數(shù)的影響

4.4應(yīng)力集中對疲勞壽命的影響

4.4.1理論應(yīng)力集中系數(shù)

4.4.2疲勞缺口系數(shù)

4.4.3缺口S—N曲線的近似估計

4.5疲勞累積損傷

4.6疲勞設(shè)計規(guī)范

4.6.1我國以疲勞分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法

4.6.2日本HPIS—C—103《超高壓圓筒容器設(shè)計指針》

5應(yīng)變疲勞分析及循環(huán)計數(shù)法

5.1材料的記憶特性

5.2循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線、滯后環(huán)曲線

5.2.1滯后環(huán)

5.2.2循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

5.2.3滯后環(huán)曲線

5.3變幅循環(huán)下的應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)

5.4應(yīng)變疲勞壽命估算

5.4.1應(yīng)變—壽命曲線

5.4.2ε—N曲線的計算公式

5.4.3應(yīng)變壽命計算

5.5缺口的應(yīng)變分析及壽命估算

5.5.1求取局部應(yīng)力σ、應(yīng)變ε

5.5.2循環(huán)載荷作用下缺口疲勞壽命估計

5.5.3缺口疲勞壽命估算實例

5.6循環(huán)計數(shù)法

5.6.1雨流循環(huán)計數(shù)法基本原理

5.6.2雨流循環(huán)計數(shù)過程分析

5.6.3簡化雨流循環(huán)計數(shù)法計算規(guī)則

5.7雨流循環(huán)計數(shù)法應(yīng)用實例

5.7.1高溫高壓換熱器管板泄漏分析中疲勞載荷譜的編制

5.7.2隨機形式的合成塔疲勞載荷譜

6疲勞用統(tǒng)計學基礎(chǔ)

6.1常用概率分布函數(shù)

6.1.1正態(tài)分布函數(shù)

6.1.2標準正態(tài)分布

6.1.3對數(shù)正態(tài)分布

6.1.4威布爾分布

6.2概率紙估計概率分布形式

6.2.1正態(tài)分布概率紙

6.2.2威布爾分布概率紙

6.3常用概率函數(shù)的參數(shù)估計

6.3.1子樣統(tǒng)計量參數(shù)

6.3.2正態(tài)分布與對數(shù)正態(tài)分布的參數(shù)估計

6.3.3威布爾分布的參數(shù)估計

6.4概率分布擬合實例

6.4.1應(yīng)力幅值的威布爾分布擬合

6.4.2最小二乘法回歸分析

7疲勞有限元評定

7.1疲勞篩分方法A

7.2疲勞篩分方法B

7.3彈性應(yīng)力分析的疲勞評定

7.3.1彈性應(yīng)力分析疲勞評定概述

7.3.2彈性應(yīng)力分析疲勞評定過程

7.3.3疲勞損失系數(shù)Ke，k的計算

7.4彈塑性應(yīng)力分析的疲勞評定

7.4.1彈塑性應(yīng)力分析疲勞評定概述

7.4.2彈塑性應(yīng)力分析疲勞評定過程

7.5焊縫的疲勞評定

7.5.1焊縫疲勞評定概述

7.5.2焊縫疲勞評定過程

7.5.3焊縫疲勞評定的修正

7.6疲勞曲線說明

7.7棘輪現(xiàn)象評定

7.7.1棘輪現(xiàn)象的彈性分析方法

7.7.2簡化的彈—塑性分析

7.7.3溫差應(yīng)力棘輪現(xiàn)象的評定

7.7.4非整體連接件的防棘輪現(xiàn)象

7.7.5棘輪現(xiàn)象的彈塑性應(yīng)力分析

8實驗應(yīng)力分析

8.1電測法

8.1.1電測法原理

8.1.2布點方案

8.1.3電測法應(yīng)注意的事項

8.2光彈性測量法

8.2.1平面應(yīng)力—光學定律

8.2.2求解邊界應(yīng)力

8.2.3求解內(nèi)部應(yīng)力

8.3極限載荷實驗

8.3.1極限載荷實驗注意事項

8.3.2確定極限載荷步驟

8.4疲勞實驗

8.4.1循環(huán)次數(shù)及載荷確定

8.4.2加速疲勞試驗

8.4.3僅增加載荷或循環(huán)次數(shù)情況

8.4.4Ks、Kn值的確定

8.4.5實驗確定疲勞強度減弱系數(shù)

8.4.6疲勞實驗實例

8.4.7本章符號說明

參考文獻2100433B

本書主要介紹了壓力容器的彈性分析設(shè)計方法和彈塑性分析設(shè)計方法。第1章介紹了彈性應(yīng)力分析方法，包括應(yīng)力分類、極限設(shè)計法和安定狀態(tài)。第2章介紹應(yīng)力分類結(jié)果的線性化，主要介紹了等效線性化法，應(yīng)力線性化方法，并給出了有限元應(yīng)用實例。第3章彈塑性分析法，介紹了考慮材料應(yīng)變強化效應(yīng)的本構(gòu)模型方法，ANSYS材料模型，載荷組合情況及彈塑性分析，ANSYS非線性分析等。第4章介紹壓力容器的應(yīng)力疲勞設(shè)計，包括疲勞曲線與方程式，平均應(yīng)力對低循環(huán)疲勞的影響，結(jié)構(gòu)對低循環(huán)疲勞的影響及疲勞設(shè)計規(guī)范。第5章介紹應(yīng)變疲勞分析及循環(huán)計數(shù)法，主要內(nèi)容有循環(huán)應(yīng)力?燦Ρ淝?線，應(yīng)變疲勞壽命估算，雨流循環(huán)計數(shù)法及應(yīng)用實例。第6章簡單介紹疲勞用統(tǒng)計學基礎(chǔ)。第7章主要介紹疲勞的有限元評定方法，包括彈性應(yīng)力分析的疲勞評定和彈塑性應(yīng)力分析的疲勞評定。第8章實驗應(yīng)力分析，簡單介紹了電測法、光彈性測量法，極限載荷實驗和疲勞實驗。本書可作為相關(guān)專業(yè)研究生的參考書，也可供從事壓力容器研究、分析設(shè)計的技術(shù)人員參考。

近年來美歐相繼頒布了新一代的壓力容器分析設(shè)計規(guī)范，提出了很多新的設(shè)計理念，吸收了諸多壓力容器前沿技術(shù)。 與此同時，國內(nèi)分析設(shè)計規(guī)范也修訂在即。本書結(jié)合當前國內(nèi)外分析設(shè)計的技術(shù)進步和工程實踐，對壓力容器分析設(shè)計相關(guān)的力學基礎(chǔ)、應(yīng)力分析、強度設(shè)計、規(guī)范條款、工具軟件、工程實例和技術(shù)進展等進行了詳細的闡述；對美歐規(guī)范中的分析設(shè)計方法均有涉及，既講區(qū)別也講聯(lián)系；以失效模式為主線并結(jié)合工程實例對極限分析、安定分析、屈曲分析、疲勞分析及蠕變疲勞等評定方法進行了探討。本書適合自學分析設(shè)計的技術(shù)人員，也可供資深工程師參考。同時，可作為分析設(shè)計考證人員的輔導資料或技術(shù)培訓和繼續(xù)教育用教材。

第一篇概述篇

第1章緒論

1.1國際壓力容器規(guī)范的進步

1.1.1歐盟EN13445

1.1.2美國ASME Ⅷ2

1.2國內(nèi)規(guī)范修訂方向

1.3計算機輔助工程的發(fā)展

1.4分析設(shè)計發(fā)展趨勢

第2章分析設(shè)計方法概要

2.1分析設(shè)計的基本概念

2.1.1應(yīng)力強度

2.1.2總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)

2.1.3局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)

2.1.4法向應(yīng)力

2.1.5切應(yīng)力

2.1.6薄膜應(yīng)力

2.1.7彎曲應(yīng)力

2.1.8熱應(yīng)力

2.1.9運行循環(huán)

2.1.10應(yīng)變循環(huán)

2.1.11疲勞強度減弱系數(shù)

2.1.12自由端位移

2.1.13蠕變

2.1.14塑性

2.1.15塑性分析

2.1.16棘輪效應(yīng)

2.1.17安定性

2.1.18應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2壓力容器的失效模式

2.3分析設(shè)計考慮的失效模式

2.4彈性分析與應(yīng)力分類法概要

2.4.1一次應(yīng)力

2.4.2一次總體薄膜應(yīng)力

2.4.3一次局部薄膜應(yīng)力

2.4.4一次彎曲應(yīng)力

2.4.5二次應(yīng)力

2.4.6峰值應(yīng)力

2.4.7總應(yīng)力

2.4.8應(yīng)力分類

2.4.9應(yīng)力評定

2.4.10應(yīng)力分類及應(yīng)力強度極限值

2.4.11應(yīng)力強度極限值的依據(jù)

2.4.12應(yīng)力分類遇到的問題

2.5彈塑性分析設(shè)計法概述

2.6小結(jié)

第二篇理論篇

第3章梁的彎曲

3.1純彎曲

3.1.1橫截面上的應(yīng)力

3.1.2純彎曲和橫力彎曲的概念

3.2彎曲正應(yīng)力

3.2.1幾何方面

3.2.2物理方面

3.2.3靜力學關(guān)系

3.2.4軸慣性矩

3.3強度條件

3.4純彎矩作用下單位寬度矩形截面梁

3.5拉伸和彎矩同時作用下矩形截面梁

3.6截面形狀系數(shù)

3.7小結(jié)

第4章彈性力學基礎(chǔ)

4.1彈性力學基本假設(shè)

4.1.1連續(xù)性假設(shè)

4.1.2完全彈性假設(shè)

4.1.3均勻性假設(shè)

4.1.4各向同性假設(shè)

4.1.5小位移和小變形的假設(shè)

4.1.6引入基本假設(shè)后的變化

4.2彈性力學基本概念

4.2.1外力

4.2.2內(nèi)力與應(yīng)力

4.2.3一點的應(yīng)力狀態(tài)

4.2.4形變

4.2.5位移

4.2.6小結(jié)

4.3彈性力學基本方程

4.3.1平衡微分方程

4.3.2幾何方程

4.3.3物理方程

4.4邊界條件

4.4.1給定位移的邊界

4.4.2給定力的邊界

4.4.3混合邊界條件

4.5結(jié)構(gòu)的對稱性

4.6彈性力學的一般定理

4.6.1解的唯一性定理

4.6.2解的疊加定理

4.6.3虛位移原理

4.6.4最小勢能原理

4.6.5外力功的互等定理

4.6.6圣維南原理

4.7熱應(yīng)力

4.7.1計算熱應(yīng)力的必要參數(shù)

4.7.2熱應(yīng)力的特點

4.7.3熱應(yīng)力實例

4.8討論

4.9小結(jié)

第5章塑性力學基礎(chǔ)

5.1概述

5.2塑性力學基本假設(shè)

5.3變形路徑對塑性變形和極限載荷的影響

5.4屈服條件

5.4.1屈服條件的概念

5.4.2特雷斯卡屈服條件

5.4.3米澤斯屈服條件

5.4.4兩種屈服條件的優(yōu)缺點

5.5強化模型與加載條件

5.6小結(jié)

第6章有限元法基礎(chǔ)

6.1基本方程的矩陣表示

6.2基本原理

6.3單元的位移模式和解的收斂性

6.4單元的應(yīng)變矩陣和應(yīng)力矩陣

6.5單元介紹

6.5.1三維實體單元

6.5.2軸對稱單元

6.5.3薄殼單元

6.5.4劃分單元注意事項

6.6小結(jié)

第三篇規(guī)范篇

第7章塑性垮塌的評定

7.1彈性應(yīng)力分析方法

7.1.1彈性應(yīng)力分析步驟

7.1.2應(yīng)力線性化

7.1.3應(yīng)力分類的指導原則

7.1.4載荷組合系數(shù)

7.1.5接管應(yīng)力評定

7.2非彈性分析方法

7.2.1極限載荷設(shè)計的概念

7.2.2ASME極限載荷分析法

7.2.3ASME彈塑性應(yīng)力分析法

7.2.4JB4732中的非彈性分析

7.3小結(jié)

第8章局部失效的評定

8.1彈性分析法

8.2彈塑性分析法

8.2.1評定步驟

8.2.2累積損傷

8.3小結(jié)

第9章屈曲的評定

9.1屈曲的定義

9.2屈曲評定的三種方法

9.3設(shè)計系數(shù)

9.4小結(jié)

第10章疲勞

10.1疲勞分析免除

10.1.1疲勞分析免除準則

10.1.2疲勞分析免除的原理

10.2疲勞曲線

10.3三種疲勞評定方法簡介

10.3.1彈性疲勞分析法

10.3.2彈塑性疲勞分析法

10.3.3等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

10.4小結(jié)

第11章棘輪的評定

11.1安定與棘輪的概念

11.2彈性分析法

11.2.1彈性安定的原理

11.2.2彈性分析法的評定

11.2.3簡化的彈塑性分析法

11.2.4熱應(yīng)力棘輪評定

11.3熱應(yīng)力棘輪評定方法修訂的解讀

11.3.1ASMEⅧ2（2013版）中的修訂

11.3.2原評定方法的制定依據(jù)

11.3.3布里法的不足

11.3.4考慮熱薄膜和彎曲應(yīng)力的棘輪邊界

11.3.5ASMEⅧ2（2013版）修訂時的考慮

11.3.6修訂要點小結(jié)

11.4彈塑性分析法

11.4.1彈塑性分析法的評定

11.4.2彈性核

11.5評定方法的回顧

11.5.1彈性方法

11.5.2彈塑性方法

11.6小結(jié)

第12章蠕變疲勞的評定

12.1蠕變疲勞的概念

12.1.1蠕變

12.1.2疲勞

12.1.3蠕變疲勞

12.1.4韌性

12.1.5安定性

12.2蠕變疲勞設(shè)計的理論基礎(chǔ)

12.2.1蠕變疲勞的試驗方法

12.2.2常用的蠕變疲勞設(shè)計方法

12.3核電行業(yè)中的蠕變疲勞工程設(shè)計方法

12.3.1ASMEⅢNH

12.3.2R5規(guī)程

12.3.3RCCMR

12.4化工行業(yè)中的蠕變疲勞工程設(shè)計方法

12.4.1API579

12.4.2ASME規(guī)范案例2605

12.5小結(jié)

第四篇實例篇

第13章基于子模型技術(shù)的斜接管應(yīng)力分析實例

13.1設(shè)計條件

13.2幾何模型

13.3網(wǎng)格劃分

13.4加載求解

13.5子模型技術(shù)

13.5.1創(chuàng)建子模型

13.5.2修改幾何模型

13.5.3重新劃分網(wǎng)格

13.5.4重新設(shè)置邊界條件

13.5.5求解并查看結(jié)果

13.6小結(jié)

第14章球罐分析實例

14.1GB12337—2014要點簡介

14.2載荷分析

14.3載荷工況組合

14.4邊界條件

14.4.1壓力載荷

14.4.2自重載荷

14.4.3風載荷

14.4.4地震載荷

14.4.5位移邊界

14.5應(yīng)力評定

14.6丙烯球罐的整體分析

14.6.1設(shè)計條件

14.6.2幾何模型

14.6.3網(wǎng)格劃分

14.6.4載荷條件

14.6.5求解計算

14.6.6應(yīng)力評定

14.7小結(jié)

第15章疲勞設(shè)備分析實例

15.1概述

15.2設(shè)計條件

15.3結(jié)構(gòu)分析

15.4應(yīng)力計算結(jié)果

15.5應(yīng)力強度評定

15.6最大應(yīng)力點疲勞評定

15.7結(jié)論

15.8小結(jié)

第16章高壓容器局部結(jié)構(gòu)分析實例

16.1簡介

16.2設(shè)計條件

16.3結(jié)構(gòu)分析

16.4應(yīng)力分析計算

16.4.1筒體與接管的模型

16.4.2頂部平蓋模型

16.5應(yīng)力強度評定

16.6結(jié)論

16.7小結(jié)

第17章塔器風載荷時程分析實例

17.1塔器的受載特點

17.2自振特性

17.2.1概念介紹

17.2.2乙烯塔固有頻率和振型計算

17.3風載荷時程分析

17.3.1風的特性與簡化

17.3.2脈動風荷載時程

17.3.3順風向的風振響應(yīng)分析

17.4小結(jié)

第18章裙座熱應(yīng)力分析實例

18.1裙座熱應(yīng)力概述

18.2裙座熱應(yīng)力分析

18.2.1設(shè)計條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)

18.2.2溫度場分析

18.2.3熱應(yīng)力和機械應(yīng)力分析

18.3小結(jié)

第19章高壓換熱器強度分析實例

19.1設(shè)計條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)

19.2換熱器有限元模型

19.2.1幾何模型

19.2.2網(wǎng)格劃分

19.2.3邊界條件

19.2.4求解

19.3小結(jié)

第20章設(shè)備抗震分析實例

20.1抗震分析的相關(guān)概念

20.1.1振子模型

20.1.2反應(yīng)譜

20.1.3標準反應(yīng)譜

20.1.4樓層反應(yīng)譜的生成

20.2抗震分析四種理論

20.2.1靜力理論

20.2.2動力理論

20.2.3反應(yīng)譜理論

20.2.4時間歷程響應(yīng)

20.3模型的選取

20.4解耦條件

20.5載荷組合

20.6折減系數(shù)

20.7許用限值

20.8大型氣化爐地震響應(yīng)的時程分析

20.8.1設(shè)計條件

20.8.2幾何模型

20.8.3邊界條件

20.8.4求解

20.8.5結(jié)論

20.9小結(jié)

第21章儲罐罐頂?shù)那治鰧嵗?

21.1罐頂失穩(wěn)原因

21.1.1罐頂外載荷的分析

21.1.2施工原因

21.2球面網(wǎng)殼形式

21.3有限元分析的依據(jù)

21.3.1有限元分析一般要求

21.3.2網(wǎng)殼的穩(wěn)定性分析

21.4帶施工缺陷的罐頂屈曲分析

21.4.1設(shè)計條件

21.4.2分析要求簡析

21.4.3幾何模型

21.4.4載荷條件

21.4.5模型計算假定

21.4.6線性屈曲分析與初始缺陷施加

21.4.7非線性分析

21.5小結(jié)

第22章基于彈性核準則的棘輪評定實例

22.1幾何尺寸

22.2模型和分析方法

22.3邊界條件

22.4分析結(jié)果

22.5小結(jié)

第23章ASMECodeCase2605蠕變疲勞分析實例

23.1設(shè)計條件

23.2最大一次靜載下的強度校核

23.3蠕變疲勞的安定性校核

23.4穩(wěn)態(tài)蠕變壽命計算

23.5蠕變疲勞壽命計算

23.6小結(jié)

第五篇軟件篇

第24章ANSYSWorkbench平臺

24.1添加材料

24.2幾何建模

24.3接觸類型

24.4網(wǎng)格劃分

24.5分析設(shè)置

24.5.1StepControls

24.5.2SolverControls

24.5.3AnglysisDataManagement

24.6載荷與約束

24.7模型求解

24.8后處理

24.8.1結(jié)果查看

24.8.2應(yīng)力精度的原理

24.8.3各種應(yīng)力結(jié)果的含義

24.9小結(jié)

參考文獻 2100433B

本書可供壓力容器設(shè)計、檢驗和使用環(huán)節(jié)的工程技術(shù)人員參考，也可供大專院校過程裝備專業(yè)、鍋爐專業(yè)和壓力容器相關(guān)專業(yè)的師生參考，對壓力容器標準規(guī)范的理論研究也有參考價值。

本書ANSYS分析部分，以在用的熱壁加氫反應(yīng)器和高壓空氣儲罐為例完整地介紹壓力應(yīng)力分析、熱分析、熱應(yīng)力分析、耦合分析和疲勞分析全過程，其中包括壓力容器分析設(shè)計人員關(guān)注的問題：按ASME-Ⅷ-2的應(yīng)力分類識別和提取ANSYS生成的結(jié)果進行應(yīng)力疊加法和耦合法的應(yīng)力強度評定。作者給出ANSYS分析的點滴技巧和經(jīng)驗，詳見第6、7、8章。

本書強度計算部分，詳見第1、2、3、4、5、9章。強度計算部分給出的計算規(guī)范超出ASME-Ⅷ-1和GB150的應(yīng)用范圍：如第1章穩(wěn)定計算的現(xiàn)代方法，不考慮橢圓形封頭加工減薄量的規(guī)定，α1>70°錐形封頭壁厚的計算等；第3章圓筒或錐殼的開孔率可達1.0的大開孔補強計算；第4章低循環(huán)疲勞強度計算規(guī)范比ASME-Ⅷ-2的功能強大；第5章有色金屬容器的計算疲勞曲線和相應(yīng)規(guī)定更是難得的所需設(shè)計規(guī)范；第9章的規(guī)范可填補我國便于手算求解接管與殼體相貫處應(yīng)力計算規(guī)范的空白；第2章塔式設(shè)備的強度計算是俄羅斯的新標準。書中作者還給出多個例題說明標準的使用。采用上述規(guī)范的有關(guān)公式，使用GB150的鋼號和許用應(yīng)力，計算結(jié)果偏于保守，且解決了GB150目前不能提供的相應(yīng)規(guī)范和方法問題。