分析设计讲稿(Ljg05826)

12两大类容器设计标准*常规设计(Designbyrule)ASMEⅧ--1,GB150—98…*分析设计(Designbyanalysis)ASMEⅧ--2,JB4732—95…常规设计是以弹性准则为基础，以壳体的薄膜理论或材料力学方法导出容器及其部件的的设计计算公式（主要为薄膜应力），这些公式以显式表达，给出了压力、许用应力、容器主要尺寸之间的关系，如“中径公式”。它包含了设计三要素：设计方法（简单公式），设计载荷（如：内压、温度等）及许用应力。但这些并不是建立在对其容器及其部件进行详细的应力分析基础之上。对不连续处产生的局部高应力，常规设计在标准中对此只根据经验做出规定（如碟形封头转角内半径、直边段等），在结构、选材、制造、检验等方面提出要求。把局部高应力粗略地控制在一个安全水平上。常规设计也没有考虑压力容器存在的多种失效模式。3常规设计不足之处示例*只考虑一种失效模式,对容器实际存在的多种失效情况不能做出合理的解释（如疲劳破坏、塔安定性的丧失等）；*从有限元计算结果看，对应力集中区域难以做出恰当的处理；*对具有热应力的容器或挠性部件无法进行合理的设计；*对大量疲劳失效的容器未做考虑（约有过半数的容器失效属此类），未能对容器疲劳失效做出合理的评定与预测。*对容器中不同性质的应力（薄膜与弯曲、一次与二次等）不加区分,采用同一的许用应力，未能充分发挥材料的承载潜力。设计中应考虑的工作条件1）载荷:压力，容器及其部件、物料的重力，风、雪载荷、地震载荷等，以及它们的作用方式（静载荷、交变载荷）；2）温度：指容器的壁温（不是环境温度）及其作用方式（均匀的，非均匀的，定常的或非定常的）；3）介质对容器材料的影响（腐蚀及中子辐射引起的脆化等）。4压力容器可能存在的失效模式失效:按某种准则进行设计时应力超过了该准则的限制条件。但不一定破坏，是在载荷作用下丧失了正常工作能力，表现为过度变形、泄漏或断裂。（“失效”实际上是一种观点，一种评价容器是否可用的判别方式）。●1.过量的弹性变形，包括弹性不稳定性；（在远离与封头连接处的筒体无接管处，当环向应力达到屈服限，筒体会出现整体屈服）●2.过量的塑性变形（结构中塑性区扩展过程，如平封头）；垮塌后的经线●3.塑性不稳定——渐增性垮塌；（筒体与封头连接处)（见书172、180页）p54.蠕变；（一定的温度和应力不变的条件下，随时间增长，缓慢而不断地产生非弹性变形）5.脆性断裂；（初始缺陷、低温下操作…）●6.高应变、低循环疲劳；7.应力腐蚀；8.腐蚀疲劳。失效准则：●弹性失效●塑性失效●弹塑性失效；断裂失效；爆破失效；腐蚀失效；蠕变失效等。6初屈服交变载荷静载荷纯弹性塑性失效渐增性垮塌棘轮现象低循环疲劳裂纹萌生断裂弹性失效极限载荷安定载荷塑性变形累积损坏垮塌破坏损伤积累有限寿命设计弹塑性失效7分析设计是计及各种可能失效模式中的大多数失效模式并在结构、强(刚)度计算、选材、制造检验等各个方面综合考虑并提供合理的安全裕量（等安全裕度原则）以防止相关类型失效。根据所考虑的失效模式比较详细地计算受压元件的各种应力，并根据各种应力对各失效模式所起的不同作用而予以分类，再采取不同的应力强度条件加以限制。8分析设计的特点1．能解决常规设计难于解决的问题●应力集中，局部应力；●高温高压（机械应力与热应力并存）；●交变载荷下的疲劳设计；●柔性部件，异型结构，复杂又无现成的公式。2．科学性、安全性●搞清了应力分布情况，对症下药，该薄处薄，该厚处厚；●30多年核容器的正常运行表明：分析设计可保证安全。93．经济性●一般可省材20%~30%；●工艺方面可减少工作量（如：焊接）省时，省力，省材；●降低运输费用。（计算费用高，加工费用高）（见书中173页）10压水堆沸水堆操作压力，MPa容器重量，T1040-750715.552045011760365φ483024033045511825常规分析常规分析20060160220φ66502015011材料1.必须是压力容器用钢，具有合格的力学性能以及较低的硫、磷杂质的含量；不允许用沸腾钢及非压力容器用钢制作壳体、封头等受压元件；2.钢材应是列入了国标、行标或已为PV大量使用的且有使用经验的国内钢材和国外标准所列的PV用钢；3.列入JB4732的计有：钢板24个钢号，钢管23个钢号，锻件22个钢号，螺柱8个钢号；取消推荐材料代用规定；4.钢材使用温度下限为0℃(GB150为-20℃)，使用温度低于0℃的钢材，需进行低温冲击试验；低温冲击功指标较GB150略有提高；5.较GB150扩大了超声波检测范围且提高了质量等级要求；6.对低合金钢螺柱用材规定了进行夏比V冲击试验的要求；低温用低合金螺柱用材的低温冲击功指标较GB150规定有所提高。12棘轮疲劳过量弹性变形，过量塑性变形渐增性垮塌，低周疲劳常规设计分析设计1.载荷非交变（静载荷）静载荷、交变载荷弹性失效3.设计准则进入塑性后塑性失效，弹塑性失效极限载荷—一次加载*安定载荷—交变载荷*当作用于结构上的各载荷按同一比例由小到大递增直到破坏的加载过程称为一次加载.2.涉及的过量弹性变形失效模式13优质延性好性能稳定6.材料常规要求整体性连续性相贯处光滑过渡、全焊透、100%探伤7.制造检验常规要求☆应力分类☆用应力强度评定☆第三强度理论S=σ1-σ3☆基本安全系数较小☆应力不分类5.应力评定☆同一许用应力[σ]☆第一强度理论σ1＜[σ]☆基本安全系数较大简化公式+经验系数4.分析方法材料力学板壳薄膜理论理论方法数值方法实验方法板壳理论、弹性或塑性力学分析14分析设计标准的选用1）当设计压力约为20MPa或更高时；2）当容器直径大于1500mm且设计压力为7MPa或更高；3）当容器直径/壁厚比值较小，例如16；或因壁厚较大而难以制作，如δ≥75mm；4）当容器的质量约为18000kg以上；或同时制造若干相同容器总重量为此数值；5）当容器为多层结构或较为复杂的结构；6）当容器尺寸较大而要在现场建造时；7）交变载荷（压力、温度）8）交变温度梯度；9）使用条件苛刻的容器，如：装有剧毒介质、压力冲击等。另外：（1）工程费用；（2）建造安装费用（3）其它因素。15我国规定：1）PD≥10MPa，且δn25mm；2）PD●Di10000；PD——设计压力，MPa；Di——容器内直径，mm；3）球罐容积650m3，且PD1.6MPa；4）GB150难于确定结构尺寸的容器及受压元件；5）须专门呈报审批的容器或受压元件。以上情况可考虑采用分析设计标准。16JB4732-95适用范围1.设计压力：0.1MPa≤PD＜100MPa；2.设计温度：是以低于钢材蠕变极限(经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限）控制其应力强度的相应温度；碳素钢375℃；铬钼钢475℃；碳锰钢375℃；奥氏体不锈钢425℃；锰钼铌钢375℃。17补充件参考件1．主题内容与适用范围；2．引用标准；3．总论4．名词术语；5．分析设计一般准则；6．材料；7．内压回转壳；8．外压回转壳；9．平盖10．开孔与开孔补强；11．制造、检验与验收。正文：JB4732标准共计11章正文，11个附录附录：1．基本部件，组合部件应力分析；2．实验应力分析；3．疲劳设计；4．法兰；5．超压泄放装置；6．材料的补充规定；7．钢材高温性能；8．管板应力分析9．焊接接头10．圆柱壳开孔接管应力分析；11．对有限元程序及分析设计人员的基本要求18分析设计的基本方法1.弹性名义应力与塑性理论相结合的方法进行应力分析时,假定结构材料始终服从虎克定律,应力应变关系是线性的,应力与应变一一对应,此时求出的应力称为“弹性名义应力”或“虚拟应力”,对此进行分类,再求其强度,然后对它进行控制.2.直接进行塑性分析或求极限载荷与安定载荷,对载荷加以控制.不涉及应力分类和其它一些问题.19应力重分布tsσsσ1.5sσ=Eεσ理想弹塑性0sσσε=Eσε=E*ε*σ虚拟应力(Pseudostress)0σσ*σsσ*εεε20采用弹性名义应力法时塑性理论的应用一.对于一次加载情况:对应于塑性失效准则;当外载荷小于极限载荷时,结构的塑性变形便是局部的、可控制的；当外载荷大于极限载荷时，结构将变成几何可变机构，失去承载能力，产生不可控制的塑性变形，终将导致结构发生破坏。二.对于反复加、卸载（即交变载荷情况）：对应于弹塑性失效准则;当外载荷小于安定载荷时，结构是安定的；当外载荷大于安定载荷时，便开始进入缓慢的塑性变形积累过程；最终会导致容器或其部件失效。21非线性弹性AB塑性力学特点1）应力与应变之间呈非线性关系；2）应力与应变之间不存在一一对应关系，与加载历史有关；3）弹性区加、卸载服从Hooke定律，塑性区，加载服从塑性规律，卸载服从弹性Hooke定律。2P1PlP2P1P1P2P1PPl2Pεpεsσbσ0σpσeσ22弹性力学平衡方程几何方程本构关系（物理关系即广义胡克定律）边界条件静定问题:只从屈服条件、平衡方程及应力边界条件就能够求出理想塑性体的应力分布.极限分析塑性力学平衡方程几何方程本构关系（物理关系）边界条件本构方程屈服条件（初始屈服条件）加载条件（后继屈服条件）加载准则（判断加载与卸载的准则）增量理论全量理论23解决塑性问题的两种途径1详细研究塑性变形随载荷增加而逐渐发展的全过程，在加载每一时刻，了解结构内所有点的应力、应变和位移，确定弹性区与塑性区之间的界线；应力与变形在卸掉一部分或全部载荷后以及重复加载时的变化规律。这对塑性静定问题尚好解决（如内压厚壁筒的例子），但对一般问题涉及到了复杂的本构关系，无论用增量理论或全量理论解决起来都是十分困难的。2不去关心整个变形过程、加载历史，只关心结构在极限状态下的承载能力；避开了解决塑性问题的难点，但也因此而不能了解变形过程中的应力、应变和位移的分布情况，只得到最终的极限载荷。24极限分析（极限平衡理论）（见书90—97页）极限状态：对于理想塑性，小变形情况，当载荷达到某个极限值时，结构出现无法限制的塑性流动。极限载荷：极限状态下所能承受的载荷;即极限承载能力(垮塌前的平衡条件),不考虑弹性到塑性变形的全过程。垮塌结构：极限状态下，结构的塑性流动形态。基本假设:1.采用理想刚塑性模型,因为理想弹塑性与理想刚塑性材料的极限载荷相同.2.小变形,变形前后用同一平衡方程，几何方程是线性的。3.所有载荷按同一比例增加.4.结构有足够刚度,达到极限载荷之前不会失稳.5.加载速度緩慢,可不考虑惯性力.25特点：1)极限载荷是根据极限状态时结构的平衡要求确定出来的，自平衡力系（初始残余应力、焊接应力…）对极限载荷无影响;2)与加载历史无关，取决于最后的一次加载能否承受；3)直接导致结构破坏，或至少导致大量的塑性变形；4)采用Mises屈服条件求出的极限载荷≥由Tresca条件求出的极限载荷,但不会超过1.15倍.5)材料屈服极限提高k倍,则极限载荷亦提高k倍.6)应当用“极限载荷设计法”确定出许用载荷,不能用“许用应力法”.极限载荷是一次应力的判别尺度，结构外载荷超过极限载荷将导致的破坏至少是大量的塑性流动、危险性大。极限载荷是根据极限状态下的平衡条件所确定，不考虑从弹性至塑性的全过程，只考虑垮塌前的平衡条件，与加载过程无关。26PltsP`sP两端固定均布载荷矩形截面梁。长为l，厚为t，宽为b最大应力在两端。24pl212pl2两端形成塑性铰之后，最大应力点在中间。弹性极限载荷（初屈服）s22eσlbt2=P几何可变机构两端形成塑性铰时：ssσlbt3=P22Ps/Pe=1.5/Pe=2.0中间再形成塑性铰，丧失承载能力s22`Sσlbt4=P`sP27矩形截面梁的塑性弯曲（书92页）σsc2HσsaζHσsbA．弹性阶段：应力沿厚度t线性分布，最大应力为：σmax=6M/t2当最外层纤维屈服时,可求得“弹性极限弯矩”Me=t2σs/6B．弹塑性阶段：当载荷继续作用，塑性区不断扩大，中间的弹性部分（-ξH，ξH）对塑性变形的扩展起着约束作用，此时弯矩大小