压力容器设计中分析设计的应用1

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1、压力容器设计中 分析设计的应用,全国锅炉压力容器标准化技术委员会 杨国义(010-64415761) Ygycscbpv.org,一、本讲座的目的,了解压力容器设计中在特殊情况下采用分析设计的必要性1）常规设计已无法解决具体工程设计的问题超出常规设计标准范围；2）特殊结构无法在常规设计中实现有效设计；1 23）开孔范围超过GB150第8章的限制；4）GB150标准中1.4条的解决方案之一；5）已有成功使用经验的疲劳容器的常规设计的疲劳分析补充。 2.分析设计在压力容器设计中所能解决的设计问题1）作为与GB150常规设计并行的标准，具体设计均可选任一标准实现；2）适用范围超出GB150标准，但在

2、JB4732标准适用范围内的容器设计、制造检验验收；3）常规设计的有效补充。 3.如何利用分析设计解决压力容器设计具体问题,3.如何利用分析设计解决压力容器设计具体问题1）依据JB4732标准进行设计；2）设计标准总体采用GB150，局部采用分析设计按常规设计管理, 单位不需具有SAD设计资格，局部分析计算结果由分析者承担责任，标准管理上要求经全国锅炉压力容器标准化技术委员会评定、认可。,二、常规设计与分析设计的内涵,两种设计理念,材料与制造要求与相应设计方法相适应。1）常规设计以GB150为基础的设计 总体上不因引起应力的原因不同而对应力的评判有所区别将各种载荷引起的应力统一对待。但个别局部

3、结构的设计也引入分析设计的处理方法，如锥壳大小端的设计。设计中一般仅按总体应力设计计算结构强度，不考虑局部结构应力对强度的影响，对局部结构通过经验进行设计或通过制造上的要求以保证结构的安全性。该种设计是以长期经验总结为基础的。 设计特点是：简单，一般从设计载荷条件可直接求取强度尺寸。如：圆筒体及椭圆封头设计等。2）分析设计以JB4732为基础的设计，与GB150并行的一种设计方法。 提供了以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法。通过对结构全部应力状况的全面掌握，根据引起应力的原因不同，对应力进行分类，对不同的应力分别采用极限设计和安定性的观点或疲劳设计观点进行限制实现对结

4、构的有效设计。,三、常规设计与分析设计主要区别,1. 标准适用范围方面,三、常规设计与分析设计主要区别,2.理论基础 GB150标准：对总体结构一般以薄壳无力矩理论或薄板理论计算结构应力，采用第一强度理论计算结构当量强度。 一般按总体结构强度设计。 JB4732标准：对总体结构一般采用弹性力学的分析结果计算结构应力，采用第三强度理论计算结构当量强度。 在按总体结构强度设计的基础上，重点将强度设计放在局部不连续结构的强度设计上。应力分析计算往往借助数值计算方法实现，如有限元等。引入应力分类的概念，根据引起应力的原因和对结构强度影响性质不同对结构应力进行分类。对不同类型的应力限制标准不同。,三、常

5、规设计与分析设计主要区别,3.失效准则 GB150标准：总体上采用弹性失效准则，即结构中有一点强度超过弹性范围即判为失效。但不排除局部塑性失效准则或弹塑性失效准则的采用，如锥壳大小端的强度设计和球冠形封头的强度设计引入了分析设计的方法。 JB4732标准：塑性失效准则或弹塑性失效准则。,三、常规设计与分析设计主要区别,4.强度的许用极限 GB150标准：许用应力：取下列各值中的最小值。 JB4732标准：设计应力强度*应力强度:组合应力基于第三强度理论的当量强度。,三、常规设计与分析设计主要区别,4.强度的许用极限 JB4732标准：设计应力强度 取下列各值中的最低值注：以上许用极限不包括螺栓

6、材料,一般情况下，当设计温度不是足够高时，许用应力和设计应力强度均决定于标准抗拉强度下限值，因此对同一种材料设计应力强度值一般高于许用应力值。由此引发对材料的具体要求上的不同,三、常规设计与分析设计主要区别,4.材料的技术要求存在差异 相对于GB150标准JB4732标准对材料要求进一步提高。,三、常规设计与分析设计主要区别,4.制造、检验和验收要求存在差异 相对于GB150标准JB4732标准对制造、检验和验收要求进一步提高。,四、常规设计与分析设计实现压力容器设计的过程,1. 常规设计实施过程概述实施一完整的常规设计一般过程如下：设计条件的提出 载荷分析 材料选择 结构 设计（参照以往类似

7、结构一般只关注总体，不在局部上作过多细致设计） 总体强度尺寸确定（用标准公式直接计算或对结构设计的核算，现在一般借助 软件实现） 局部接管结构强度尺寸初定 开孔补强等计算（或 借助其它设计方法实现） 技术要求 图样绘制 设计文件整理。该种设计方法建立在大量成功设计的经验基础之上，特别是局部结构设计更是经验的总结。为保证结构的强度要求，材料、制造检验验收要求必须加以满足。,四、常规设计与分析设计实现压力容器设计的过程,2. 分析设计实施过程概述实施一完整的分析设计一般过程如下：分析设计条件的提出 载荷分析 材料选择 结构 设计 总体强度尺寸确定 局部结构强度尺寸初定 分析 模型构建 应力分析 强

8、度评定（通过） 技术说明技术要求 图样绘制 设计文件整理。 3. 分析设计具体实施（局部例证）a)分析设计条件的提出一般由工艺专业提出一般主要包括以下项目：工作压力（最高工作压力、最低工作压力）、最高工作温度（或最低工作温度）、介质（腐蚀性、密度等）、设备结构简图、设备建造地点（地震加速度、风压、雪压）附加说明。球罐例证一，例证二,3. 分析设计具体实施（局部例证）,载荷分析针对具体分析设计的设备确定需考虑的载荷，在载荷的计及中 应关注如何将相应载荷应用于应力分析。对结构应力状况影响甚微的载荷可忽略（根据以往经验判断）。如球罐整体应力分析考虑的载荷；接管分析考虑的载荷。大型卧罐整体分析考虑的载

9、荷小型卧罐考虑的载荷，有时甚至需考虑动载荷（如吊装）。 材料选择 应考虑操作条件，介质特性，制造加工工艺性能，焊接性能，经济合理性等综合成本。考虑韧性、材料的应力应变关系是否与标准评定方法相适应理想弹塑性材料。如受疲劳载荷情况，应考虑采用抗疲劳性能优良的材料对比疲劳曲线。 特殊情况总项目承包中有时已规定材料。,3. 分析设计具体实施（局部例证）,c)材料选择 1）设计应力强度的确定：对一次应力强度对应的设计应力强度，取计算温度下的值一般对应设计温度；对二次应力强度对应的设计应力强度取操作温度下的值。2）疲劳曲线的选定根据材料选定3）材料物理性能数据确定：弹性模量、泊松比、线胀系数、密度等,3.

10、 分析设计具体实施（局部例证）,d) 结构设计结构设计在应力分析中至关重要直接影响设计质量与成本。总体结构一般已由工艺确定，结构设计主要对象为焊接接头或接管结构。A类接头：应为全熔透的双面焊或单面焊双面成形技术所焊成的全熔透的焊接接头。若有垫板，焊后应拆除。1型接头B类接头：应为1型接头或带垫板的单面焊对接接头2型接头C类接头：应为1型接头或完全熔透的角接接头当用于盛装毒性程度为极度的危害介质时，焊接接头另有特殊限制附录H1.3。JB4732附录H的要求，一般是针对完全采用标准中提供的方法来进行分析设计的情形在结构上需加以保证。如应力分析评定基于特定的数值计算模型（有限元法等）给出，结构满足分

11、析模型即可，可不受该附录限制。,3. 分析设计具体实施（局部例证）,结构设计接管结构设计接管造成了总体结构的不连续引发二次应力，减小构件间约束能起到降低二次应力的效果刚度尽量平衡分配。接管结构设计不仅考虑到受力效果，亦应考虑到制造加工成本。 如筒体接管锻件结构 斜接管结构对疲劳容器，进行结构设计时尽量减少应力集中结构圆滑过渡。 减少局部结构不连续。 几种典型结构举例分析：1）球罐人孔锻件结构与人孔新型结构2）典型夹套容器结构 碟形封头接管结构3）另一种夹套结构 锥壳接管结构4）球形封头接管结构 立式圈座结构5） 斜接管整体补强结构；6）换热器结构1 7）换热器结构2,e) 总体强度尺寸确定类似

12、于GB150的总体厚度计算方法，只是许用应力改为材料设计应力强度针对总体薄膜应力强度，通过第三强度理论，求取相当应力建立公式。具体计算按JB4732第7章1）公式应用范围更加广泛，既给出了Pc0.4kSm的公式，同时可以考虑经向薄膜力的作用。2）对于承受外压的回转壳，在稳定性计算方面和GB150相同。 f) 局部结构强度尺寸初定局部结构主要包括：接管与壳体相接局部结构和壳体间相接结构。确定方法：（1）参照标准结构进行设计（2）参照以往经验确定外形尺寸（3）借助于分析手段确定,f) 局部结构强度尺寸初定此处的局部结构强度只是一初定尺寸，最终尺寸需经应力分析并评定后确定，尺寸可能向两个方向调整或更

13、改局部结构。 g) 分析模型构建与应力分析此两项内容是应力分析设计中的要求理论基础较为扎实的部分 也是难点之一。（1）分析模型构建一定要真实反映被分析结构的真实受力状态，主要涉及到边界条件的处理一定要正确。此处的分析模型并非专指有限元等数值计算方法的分析模型，解析法，试验应力分析也有相适应的分析模型。举例1 举例2 举例3 举例4 举例5 举例6 举例7（2）应力分析的手段包括：解析法 数值计算方法 试验应力分析，其中数值计算方法中有限元法应用最多。采用有限元法选择单元至关重要。几种重要应用最多的单元：plane 82 、shell63、shell93、solid45、solid95、soli

14、d185、solid70(温度单元8节点) 、 solid90(温度单元20节点),g) 分析模型构建与应力分析在应力分析设计中，对不同类型的应力所得的应力强度，分别采用极限设计和安定性的观点予以评定，在此实质上是允许应力超过屈服强度的。极限设计的观点是结构一点进入屈服后结构仍然具有承载能力，直至整个截面或局部区域进入屈服，结构才达到承载极限。安定性的概念是允许结构在承受第一次加载循环时产生一定量的塑性变形，但在以后的加载过程中不会产生累加的塑性变形。由此，分析设计的结果评定是允许结构进入塑性状态的评定，因此实质上评定是采用应变进行控制的。但在实际结果评定中均将相应的应变转换为当量的虚拟应力来

15、加以限制。这样在实际应力分析中，就可假设结构处于弹性状态来处理问题了。因此一般应力分析按弹性分析处理即可实质上是应变控制。特殊情况下，可引入塑性极限分析。 此时对安定性有附加要求。,（3）分析结果处理线性化、应力分类,线性化沿分析路径通过积分处理找出沿路径的均匀分布应力成分、线性变化成分及非线性变化成分。 路径的设定原则：选定的认为需要的应力分析结果评定部位中沿厚度最短方向设定路径 沿路径线性化结果的应力属何种类别根据引起应力的原因和具体分析结构部位由分析者判断确定。 具体可参照JB4732-95表4-1，表5-3。,（3）分析结果处理线性化、应力分类,几种典型结构处应力线性化后的应力分类原则 开孔接管与壳体相接部位假设只承受内压,线性化后的薄膜成分尽管具有二次应力的性质，仍按一次局部薄膜应力对待。 膜+弯成分按一次+二次应力对待。 峰值成分只在疲劳情况考虑,