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壓力容器解析預(yù)設(shè)的受力類比法和塑形解析法

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壓力容器解析預(yù)設(shè)的受力類比法和塑形解析法

發(fā)布日期:2018-06-22 作者:鹽城市大明化工機(jī)械有限公司 點(diǎn)擊:

 對(duì)于反復(fù)加、卸載(即交變載荷情況)對(duì)應(yīng)于彈塑性失效準(zhǔn)則:當(dāng)外載荷小于安定載荷時(shí),結(jié)構(gòu)是安定的;當(dāng)外載荷大于安定載荷時(shí),便開始進(jìn)入緩慢的塑性變形積累過程;最終會(huì)導(dǎo)致容器或其部件失效。


  “塑性分析法”則是對(duì)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行塑性分析或求其極限載荷、安定載荷,再對(duì)設(shè)計(jì)載荷加以控制。它不涉及應(yīng)力分類與其相關(guān)的問題。由于分析設(shè)計(jì)允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形,因而在其應(yīng)力分析中不可避免地要涉及塑性力學(xué)的計(jì)算,但是塑性力學(xué)不同于彈性力學(xué),它比較復(fù)雜(特別是本構(gòu)關(guān)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(xué)與彈性力學(xué)相比計(jì)算要復(fù)雜得多,除了一些靜定的塑性力學(xué)問題(只涉及平衡方程、屈服條件、邊界條件,未涉及本構(gòu)關(guān)系的問題)可得出解析結(jié)果外,其它問題求解起來難度就十分大。彈性力學(xué)與塑性力學(xué)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(guó)ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范首先提出彈性應(yīng)力分析與塑性理論相結(jié)合的辦法即“應(yīng)力分類法”。這種彈性應(yīng)力分析與塑性理論相結(jié)合的辦法經(jīng)過多年的實(shí)踐,表明標(biāo)準(zhǔn)中所給出的應(yīng)力強(qiáng)度極限是安全可靠的;只是對(duì)于不同結(jié)構(gòu),其系數(shù)作了相應(yīng)調(diào)整,目的是為確保結(jié)構(gòu)安全。


  總的來說,根據(jù)多年來使用情況看,標(biāo)準(zhǔn)這樣處理(即采用A、B、C等式)對(duì)大多數(shù)結(jié)構(gòu)是安全的。


  應(yīng)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(duì)定義的曲解),但具體怎么分則帶有經(jīng)驗(yàn)性與人為因素。對(duì)于實(shí)際問題有些情況就不那么好區(qū)分:一次應(yīng)力是為平衡壓力與其它機(jī)械載荷所必須的應(yīng)力,但平衡外載荷的靜力可能解不是唯一的,它加上一個(gè)自平衡力系仍然可以與外載荷平衡;對(duì)于二次應(yīng)力,若把相互協(xié)調(diào)的兩部分作為整體考慮,二次應(yīng)力是自平衡力系,其合力與合力矩為零,但就某個(gè)斷面而言,二次應(yīng)力也有相應(yīng)的合力與合力矩,它也會(huì)參與到靜力等效中去,二次應(yīng)力與一次應(yīng)力相混,造成了應(yīng)力分解的困難;還有,在靜力等效處理后的薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力究竟屬于一次性質(zhì)還是二次性質(zhì)也不是那么容易區(qū)分的。


 ?。ㄆ鋵?shí)在力學(xué)上,應(yīng)力本身就是應(yīng)力,無所謂應(yīng)力分類,只是在壓力容器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)才引入了這個(gè)概念)。


  應(yīng)力分類是建立在板殼理論的基礎(chǔ)上<1>,而目前對(duì)無法得出解析解的結(jié)構(gòu)均采用有限元分析,這已成為工程設(shè)計(jì)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(yīng)力分類原則不相匹配的問題<3>。因此,美國(guó)分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并未明確允許使用有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析。因?yàn)閷⒂邢拊?jì)算結(jié)果分解,并按標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各類應(yīng)力的定義進(jìn)行分類是比較困難的。壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)如何保證有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性(有限元法的單元選取,網(wǎng)格劃分等對(duì)計(jì)算結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生影響,有時(shí)會(huì)得到差別很大的結(jié)果)特別是對(duì)求出來的應(yīng)力如何分類并沒有給出指導(dǎo)性的原則。為此,美國(guó)ASME制定了短期、中期、與長(zhǎng)期研究計(jì)劃<4>,主要內(nèi)容如:明確應(yīng)力分類與失效機(jī)理的關(guān)系;標(biāo)準(zhǔn)中擬給出如何選取應(yīng)力分類校核線(面),幫助分析設(shè)計(jì)人員選擇合理的位置與方向;把計(jì)算出的應(yīng)力如何區(qū)分出Pm(PL)、Pb、Q、F給予指導(dǎo);特別是常被錯(cuò)誤理解的(PL+Pb)在三維實(shí)體單元分析時(shí)給出失效機(jī)理并提出新的方法;在二維與三維分析中對(duì)(PL+Pb)與(P+Q)的極限給出明確的“指標(biāo)”;對(duì)應(yīng)力類別加以驗(yàn)證等等……但到目前為止,在ASME標(biāo)準(zhǔn)中尚未體現(xiàn)出以上內(nèi)容的研究成果,足以說明這個(gè)問題的難度。


  對(duì)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(nèi)壓p(或另有其它機(jī)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(yīng)力中的薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力則應(yīng)具有一次性質(zhì)。除此之外,對(duì)于(1a)的分解情況,球殼開孔接管連接處水平位移不連續(xù),為了保持二者位移連續(xù)(即變形協(xié)調(diào))出現(xiàn)橫剪力Q與力矩M(1b),它們所引起的邊緣應(yīng)力則均具有二次性質(zhì);所以,在球殼邊緣區(qū)存在著兩種性質(zhì)的彎曲應(yīng)力(二者的大小則與球殼、接管的幾何尺寸有關(guān))。但在有限元計(jì)算之后,經(jīng)過等效線性化處理,得出的是含有上述兩種性質(zhì)彎曲應(yīng)力的合彎曲應(yīng)力,因此,如果將合彎曲應(yīng)力當(dāng)作二次應(yīng)力處理,則設(shè)計(jì)偏于不安全,如果將它視為一次彎曲應(yīng)力則又偏于保守,這個(gè)例子說明在連接處彎曲應(yīng)力為何性質(zhì)是不易區(qū)分的,這也是美國(guó)ASME研究計(jì)劃<4>中對(duì)此特別關(guān)注的原因。我國(guó)容器分析設(shè)計(jì)人員在許多壓力容器分析設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析報(bào)告中,對(duì)SⅢ(由PL+Pb算得)采取了回避的的做法,在應(yīng)力強(qiáng)度校核中跳過這一項(xiàng),這樣做是不妥當(dāng)?shù)?,也是不符合?biāo)準(zhǔn)要求的。


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