1、標準規范歐盟壓力容器分析設計標準簡介浙江大學化工機械研究所蘇文獻鄭津洋陳志平摘要:介紹了歐盟統一標準prE N13445-35非接觸火焰壓力容器6中與分析設計相關的一些新理念和設計方法,為我國現行分析設計標準的修訂提供參考。關鍵詞:分析設計;新理念;設計方法中圖分類號:T655;TH49文獻標識碼:A文章編號:1001-4837(200207-0001-03Introduction for Design-by-analysis of CEN.s Unfired Pressure Vessel Zhejiang University SU Wen-xian ZHENG Jin-yang C HE

2、N Zhi-pingAbstract:New concepts and design methods on design-by-analysis in CE N.s unfired pressure me thod was introduced,references were provided to e mend the present standard of design by analysis.Key words:design-by-analysis;ne w concepts;design methods1前言以美國ASME鍋爐與壓力容器規范第Ó篇和第Ø第2分篇為代表

3、的分析設計標準,主要是采用彈性應力分析和塑性失效準則相結合的方法。由于彈性應力分析的手段是成熟的,因此,這種以彈性分析代替塑性分析的工程近似方法所給出的應力評定準則在工程上得到了廣泛的應用。最初,分析設計規范所涉及的應力分析方法主要是薄板和薄殼理論以及少量彈性力學解,能準確地將求得的薄膜應力和彎曲應力分類成一次應力和二次應力,并加以評定。有限元法的出現,豐富了應力分析的方法。而分析設計規范對如何保證有限元計算的正確性,特別是對求得的應力數值解如何分類等問題未給出指導性的規范原則。隨著近代力學和計算機技術的高速發展,出現了許多功能強大的有限元應力分析軟件,有限元法已成為應力分析的重要工具,大大提

4、高了應力分析的能力和精度。但是,在應用有限元進行應力分析特別是基于軸對稱或三維實體單元分析時,對計算結果的應力分類就非常困難。因此,在按分析設計進行壓力容器零部件的壁厚計算或強度校核時,由于采用了不同的分析方法,有時會得到差別很大的結果,直接影響了分析設計標準的應用。最近,歐盟技術委員會CE N TC54起草了歐盟統一標準prEN13445-35非接觸火焰壓力容器6,其中一些新理念和設計方法,對我國修訂現行分析設計標準很有參考價值。本文對這些新理念和設計方法作了介紹。2新概念為了解決目前分析設計方法的困難,同時,更好地闡述分析設計中的直接方法,標準提出了一些新概念,包括原理和應用準則、載荷、部

5、分安全系數、載荷響應的設計校核和強度的設計校核等。2.1原理和應用準則標準在原理和應用準則上作了區別。原理是對給定的失效形式的概述、定義和基本要求,如果沒有特別說明,其基本要求和分析模型不能用其它的來替代。應用準則是遵從原理并確定是否滿足其要求的過程。與原理不同的是,可以有多個和符合相應原理的應用準則。例如,對結構總體塑性變形,其原理是:對任何載荷工況,其設計載荷都不能超過其設#1#計強度。其相應的應用準則有兩個:一是設計載荷小于極限載荷的下限值與相應的部分安全系數之比;二是最大一次應力強度不大于結構材料設計強度與相應的部分安全系數之比。2.2載荷與以前規范標準不同,歐盟標準中的載荷,指所有加

6、在結構上引起應力或應變的熱、機械量,如力(包括壓力,溫度變化和施加的位移。載荷按隨時間的變化可分為四類:(1永久載荷:包括結構的自重、輔助設備及附件的重量等。(2變化載荷:包括對結構施加的載荷、風載荷和雪載荷,但不包括壓力和溫度及與確定它們相關的載荷。(3意外載荷:由于一次承載的失效導致二次承載的載荷及意外的地震載荷。(4壓力和溫度:盡管這兩個量屬于可變載荷,但由于它們具有隨時間變化的特殊性能以及隨機的特點等,因此,將他們單獨化為一類載荷來考慮。2.3部分安全系數分析的不確定性,不同的載荷種類及組合形式、不同的失效形式中結構行為和產生后果的差異等都會給分析帶來一定的困難。為了綜合考慮這些因素的

7、影響,歐盟標準引入了部分安全系數的概念。對不同的載荷、載荷組合、失效形式和結構,給予不同的安全系數。這些部分安全系數組成了結構的總體安全系數即復合安全系數,以此來調整結構的安全余量。標準給出了各種載荷在不同條件下的部分安全系數。2.4載荷響應的設計校核載荷的設計響應是在外部載荷作用下在結構中產生的載荷、內力(廣義應力和應力,它是設計載荷和結構幾何尺寸的函數。載荷響應的設計校核是在特定的載荷組合下,就結構特定的極限狀態(代表一種或幾種失效形式,對結構安全性的評定。在設計校核中,用設計載荷的特征值乘以相應的部分安全系數,得到結構的設計載荷,再求得相應設計響應值,將它和相應的設計強度作比較。設計強度

8、是由對應的載荷組合的結構強度除以相應的強度部分安全系數。2.5強度的設計校核強度的設計校核是由結構的失效形式直接決定的,標準中結構的失效形式主要包括:總體塑性變形、漸增塑性變形、失穩、疲勞和靜平衡。根據不同的失效形式直接采用相關的失效準則來限定。3直接方法用直接方法來進行結構的各種失效機理分析是歐盟標準在分析設計中的最大特點。同時,也保留了傳統的應力分類方法,應用于薄殼等簡單結構的分析設計。標準用來預防結構的失效形式主要有三種:即總體塑性變形、漸增塑性變形(棘輪和疲勞,這三種失效形式分別由極限理論、安定理論和疲勞理論確定的失效準則來限定。3.1總體塑性變形在直接方法中,為了防止結構發生總體塑性

9、變形,標準給出了兩種方法:下限極限載荷法和最大一次應力強度法。(1下限極限載荷法:就是限制結構的設計載荷不大于極限載荷與相應的部分安全系數之比。結構的極限載荷分析是基于以下假設:所有的載荷都是采用比例加載,遵守小變形理論,材料模型為理想彈塑性或理想剛塑性,服從Tresca屈服準則和相關的塑性流動準則。為了避免在計算中可能出現解的不收斂等問題,標準建議可以采用線性強化彈塑性材料模型來代替理想彈塑性或理想剛塑性材料模型。另外,在根據載荷與變形量關系曲線確定結構的極限載荷時,與現行的美國ASME等規范采用的兩倍彈性斜率不同,歐盟標準采用了雙切線相交法。這是因為用該方法確定的極限載荷值完全由曲線本身決

10、定,無人為因素起作用。而兩倍彈性斜率法確定極限載荷與結構局部幾何形狀、測點局部進入塑性的早晚及應力重新分布的方式有關;同時,文獻2指出對于給定的結構按兩倍的彈性斜率法得到的塑性極限載荷是不確定的,該文對兩個受內壓作用、支管長度不同的等徑三通的極限載荷進行了研究。研究結果表明:用兩倍彈性斜率法求得的兩個三通的極限載荷不等,短支管三通的極限載荷小于長支管三通的極限載荷,而用切線相交法求得的兩個三通的極限載荷相等。如果在載荷與變形量關系中主應變不超過?5%的區域載荷沒有最大值,標準規定極限載荷的確定按如下方法進行:一條切線通過曲線的原點,另一條切線通過最大主應變不超過?5%的點。(2最大一次應力強度

11、法:就是限制結構的最大#2#CPVT歐盟壓力容器分析設計標準簡介Vol19.No72002一次應力強度不大于材料的設計應力強度與相應的部分安全系數之比。該方法的本質和應力分類法中對一次主應力的限制是一樣的。與應力分類法不同的是,當結構是梁、板及殼時,標準采用了內力的概念,應用內力和結構的局部極限載荷對總體塑性變形進行限定,并給出了不同結構的許用內力表達式。如厚度為e的軸對稱結構平板,其單位長度的彎曲為m r、m U,極限彎曲為m pl =RMe2/4C R(R M是材料的設計應力強度,C R是部分安全系數。許用內力為|m r|m p l,|m U|m p l, |m r-m U|m pl。3.

12、2漸增塑性變形結構的漸增塑性變形分析是基于以下假設:變形遵守小變形理論,材料模型為理想彈塑性,服從Mises屈服準則和相關的塑性流動準則。歐盟標準采用了應力偏量來限制結構在循環載荷作用下的漸增塑性變形,在分析過程中假定所考慮的點處于無應力集中的理想結構中。分主應力方向不變和主應力方向改變兩種情況考慮。(1主應力方向不變時:對無應力集中的結構中的點,在循環載荷作用下,應用線彈性理論所求得的點的應力偏量曲線的直徑不大于2倍的材料設計應力強度。(2主應力方向改變時:對無應力集中結構的每一點,選擇與循環載荷時間點相對應的應力來作為研究對象。對任意t0、t時刻對應點的應力,應用線彈性理論確定的應力差的偏

13、量軌跡的直徑不大于2倍的材料設計應力強度。標準指出,該方法只是防止結構發生漸增塑性變形的必要條件而不是充分條件,如果結構在該載荷作用下也能滿足防止總體塑性變形的條件,那么這種方法就是充分條件。3.3疲勞歐盟標準在進行結構疲勞分析時,定量考慮了溫度、表面粗糙度、厚度、平均應力的影響,對母材和焊接材料給出了不同的評定方法。相應地,分別給出了母材和焊接材料的疲勞設計曲線。這是與美國ASME等標準只給出了母材的疲勞設計曲線,而英國BS5500只給出了焊接材料的疲勞設計曲線顯著不同之處。這極大地提高了根據標準求得的結構的疲勞強度的準確性。對簡單的貼板焊和直焊縫部件,可用等效應力變化幅或主應力變化幅來確定

14、其疲勞壽命;對其它焊接結構的部件,給出了哪些部件應按等效應力變化幅確定疲勞壽命,哪些部件應按主應力變化幅來確定疲勞壽命的詳細指導。對母材和螺栓結構則根據有效的缺口等效應力變化幅來確定其疲勞壽命。4應力分類法4.1應力線性化應力分類分析設計方法的原理和分析過程與ASME等規范基本上是一致的。歐盟標準將應力處理線的概念正式納入標準,并給出了具體的應力線性化方法。具體的線性化過程分兩步:第一步選擇一條應力分類線。該線是連接所選結構危險部位兩個表面的最短線。對于遠離結構不連續的區域,該線垂直于兩個表面,其長度等于殼體厚度。第二步將應力沿這條線線性化處理。將容器各計算部位應力,按選擇的危險截面把各應力分

15、量沿該應力分類線進行均勻化和當量線性化處理,然后進行應力分類評定。均勻化處理后的平均應力屬于薄膜應力,當量線性化處理后,應力的線性部分屬于二次應力,剩余的非線性部分屬于峰值應力。圖1為應力(R i jNL沿分類 線線性化處理的結果。圖1應力的線性化A-B應力分類線;(R ijm平均應力;(R ijL線性化的應力; (R ijb彎曲應力;(R ijNL非線性化的應力;(R ijp峰值應力(1薄膜應力:其分量是應力沿壁厚e的平均值:(R i jm=1ee2-e2R ij d x(2彎曲應力是沿壁厚線性分布的應力成分:(R i jb=12xe3e2-e2R ij x d x(下轉第34頁#3#第19

16、卷第7期壓力容器總第116期為針狀鐵素體的形核核心,促進晶內細小針狀鐵素體的形成,從而細化組織,提高HAZ 強韌性。參考文獻1 富田等1大線能量焊接用鋼板J1神戶制鋼技報,1979,29(4:4-812 HT60S steel for high weld heat inputs:WE L -TEN60S and62SZ,Nippon Steel Corp,QT215,1974,1-3213 陳曉等編著1高性能壓力容器和壓力鋼管用鋼M 1北京:機械工業出版社,199814 Kal wal et al 1Steel ResearchJ11986,57(515 呂德林,李硯珠1焊接金相分析M 1機械

17、工業出版社,198616 Lee J L ,Wang S C,Cheng G H 1Mater Sci TechnolJ11989;5;67417 錢百年等1C 、Al 、Ti 對鋼焊接熱影響區韌性的影響J1材料研究學報,1995;9(218 尹桂全,高甲生等1微量Nb 對微Ti 鋼焊接HAZ 奧氏體晶粒長大傾向的影響J1焊接學報,1998;19(119 Edward Amold 1RWK Honeycombe Steels -M icrostructureand PropertiesM11981110 金遲正午,中島明,岡本健太郎,金谷研1鐵H 鋼M11975,61,2589111 黑遲文夫

18、,鈴木茂1日本金屬學會會報J11991;30112 Tomita Y,Osuka T 1ISIJ IntZ,1994;34:829113 包永千著,金屬學原理M1冶金工業出版社,1986114 Lee J L,Pan Y T 1Metall TransM11993;24A :13991收稿日期:2002-05-15作者簡介:張莉芹,通訊地址:武漢科技大學理學院,郵編:430083。(上接第3頁由于分析設計中只考慮殼體內外壁的最大和最小彎曲應力,其值為:(R i j b ,s =?6e 2e 2-e 2R ij x d x(3線性化的應力由薄膜應力和彎曲應力相加得到:(R ij L =(R ij

19、 m +(R i j b(4非線性應力:一點的應力的非線性部分即峰值應力是總應力和線性化應力的差(R ij p =(R i j -(R ij L =(R ij -(R i j m +(R i j b4.2 應力分類歐盟標準對大多數常見結構在壓力、機械載荷和熱載荷作用下產生的應力進行了詳細的應力分類。與ASME 等規范相比,其應力分類所涉及的結構和作用載荷更廣,如對平蓋,ASME 等規范只給出了內壓作用下中心區及與筒體連接處的應力及其分類,而歐盟標準則考慮了在內壓、機械載荷、熱載荷、因約束或施加的位移等條件下中心區、與筒體連接處及平蓋開孔(接管有或無的應力及其分類。 5 結語歐盟標準與現行標準相比,其特點主要體現在以下幾個方面:(1提出了一些新概念,以更好地闡述分析設計中的直接方法。(2對壓力載荷以外的載荷的組合采用了復合安全系數的形式。(3采用直接方法對結構進行分析,同時,對薄殼等簡單結構