分析设计讲稿(Ljg05826).ppt

1 2 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 5 4 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 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 9 3 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 11 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 13 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 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 n 25mm 2 PD Di 10000 PD 设计压力 MPa Di 容器内直径 mm 3 球罐容积 650m3 且PD 1 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 16 JB4732 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 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 20 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 22 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 26 27 28 M t2 3 2 s 12当t 2H M H2 3 2 s 3当 1 M Me t2 s 6 弹性极限弯矩 当 0 M Mp t2 s 4 塑性极限弯矩 0时全截面均进入屈服 产生完全塑性状态时的弯矩与产生最大弹性状态时的弯矩之比称为 形状系数 用 表示 完全塑性弯矩 最大弹性弯矩 Mp Me它是衡量不同形状截面超出常规的弹性极限之后 还有多大承载能力的一个标志 对于均匀拉伸的杆件 1 0 对于矩形截面纯弯梁 1 5 也就是说 当梁截面形成完全塑性铰以前 比梁在截面厚度边缘开始屈服时可以多承担50 的附加弯矩 29 30 31 求解极限载荷的一般方法 解析方法 利用下限定理与上限定理分别求出下限解和上限解 作为完善的解析解应给出一切可能垮塌机构的极限载荷计算式及相应的几何参数适用范围 例如 JB4732标准中的平盖和整体补强的壳体开孔应力分析法 但是 一般不能直接给出适于工程设计使用的显式表达式 下限定理 在所有与静力可能的应力场 满足平衡条件与力的边界条件且不违背极限条件的应力场 对应的载荷中 最大的载荷为极限载荷 利用下限定理求解极限载荷的方法叫 静力法 上限定理 在所有与机动可能的位移场 满足几何约束条件 能形成几何可变机构的位移场 对应的载荷中 最小的载荷为极限载荷 利用上限定理求解极限载荷的方法叫 机动法 书中95 96页 32 数值方法实际的极限载荷是下限解的最大值或上限解的最小值 如果选极限载荷作为目标函数 将静力容许场或位移容许场表示为某些可调参数的函数 则上 下限定理归结为调整这些参数使相应载荷取极大或极小值的优化问题 确定极限载荷的另一数值方法是直接用弹塑性有限元程序逐级加载算出实际结构部件的载荷一位移曲线 然后按二倍弹性斜率法或双切线交点法确定出相应的极限载荷 33 34 35 36 37 38 39 安定载荷的求法1 一维结构 厚壁筒 先求问题的弹塑性解 再计算卸载时结构内残余应力场不产生反向屈服的临界载荷以及残余应力与载荷应力曡加后不违背屈服条件的临界载荷 二者较小的为安定载荷 2 复杂结构 先假设带有某些可调参数的残余应力场 再利用安定下限定理和线性 或非线性 规划法优化这些参数 使相应的安定载荷取最大值就得到在假设残余应力场下最接近实际安定载荷的下限解 假设残余应力场的方法有 弹性迭代法 应力函数法及温度参数法等 40 对安定载荷的几点认识1 必须有弹性区存在 卸载时塑性区被周围的弹性区挤压而产生残余应力场 此 场 在下次加载时起有利作用 2 失去安定只是损伤累积的开始 而不是直接破坏的起点 3 安定载荷与残余应力有关 目前尚无定量的结论 与加载组合形式有关 与加载历史有关 与极限载荷不同 4 通常防疲劳与防棘轮的安定载荷不相等 实际安定载荷为二者之较小值 5 超过安定载荷后 结构并不立即破坏 而是进入一个有限寿命的缓慢破坏过程 危险性较小 工程设计中可不留安全裕度而容许结构承受的最大载荷小于等于安定载荷 41 标准中对安定性 Shakedown 的简化处理 结构在载荷 温度等的交变过程中 仅在初次加载过程中出现一定量的塑性变形 而在以后的载荷交变循环中 不再出现新的塑性变形 没有塑性变形的积累 仍处在弹性循环中 称该结构是 安定 的 单向应力状态保证安定性的条件是 弹性名义应力小于等于两倍屈服极限 见书178 180页 以后的载荷变化均应维持在原载荷范围 金属材料在交变载荷作用下所引起的交替塑性变形是导致裂纹形成的能量来源 塑性变形的积累实际上塑性变形能的逐步积累 42 43 44 应力分类的依据1 应力产生的原因与作用 是平衡载荷所必须的还是变形协调所必须的 不同原因所产生的应力将有不同的性质 所具有的危险性亦不同 2 应力的分布 应力分布的区域是整体的还是局部的 其影响大小不同 应力沿厚度的分布是均布的 线性的或非线性的 它们具有不同的应力重分布能力 与其承载能力相关 应力分类原理求解弹性问题可分为两步 1 先寻求满足平衡条件的静力可能解 让它承受全部外载荷 这样的解一般不满足约束条件 而且解可能不是唯一的 选其中应力水平最低或较低的一个解作为静力必须解 2 再寻求一个附加的自平衡解 使它和静力必须解一起 共同满足约束条件 把上面两个解曡加在一起就得到问题的全解 例两端固定梁 中间有集中力F作用 45 46 一次应力超过材料屈服极限时 将会引起过量的塑性变形而造成结构破坏 一次应力没有自限性 一次应力又细分为一次总体薄膜应力 Pm 一次弯曲应力 Pb 和一次局部薄膜应力 PL 二次应力 符号Q 是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所必须的应力 过去曾称它为 副应力 它对容器的危害属于第二位的 二次应力不是为满足平衡外载荷所必须的 是由于变形协调的需要而产生的一个自平衡力系 二次应力的主要特征是它具有自限性 self limiting 峰值应力 符号F 是由局部结构不连续或局部热影响所引起的附加于一次与二次应力之上的应力增量 峰值应力不引起任何显著变形 它的特征是具有局部性与自限性 可以说 二次应力是影响范围遍及断面 能把结构分成与互不相连的两部分的平面或曲面 的总体自限性应力 而峰值应力是应力水平超过二次应力但影响范围仅为局部断面的局部自限应力 这里的局部是指小于1 4厚度的量级 峰值应力与二次应力都具有自限性 且为自平衡的 因此与平衡外载荷无关 47 一次弯曲应力 是由介质压力或其它机械载荷作用下沿容器壁厚线性分布的应力 内外壁处大小相等 方向相反 它满足外载荷与内力的平衡关系 如内压下的平封头 如果因元件结构的不连续而在元件连接处所引起的边缘应力中的弯曲应力则不属于一次弯曲应力 且这种弯曲应力有衰减性 一次弯曲应力进入屈服以后 可出现应力重分布 使承载能力提高 为限制它产生的过量塑性变形 采用极限分析方法得出比对Pm限制为宽 但比Q限制为严的条件进行强度校核 48 49 另一种是具有二次性质的局部薄膜应力 它们是由克服总体结构不连续所需要的壳体连接处的内力和弯矩 如半球形封头或椭圆形封头与筒体连接处 所引起边缘应力的薄膜部分 从稳妥与方便考虑也被归入PL类 当两个壳体的经线在连接处方向一致时 球形 椭圆形封头与筒体连接处 边缘效应解中的局部薄膜应力完全是为了克服连接处径向位移的总体不连续所必须的 理应归入二次应力 但从方便稳妥考虑 将其归入PL 当两个壳体的经线在连接处的方向有一个夹角时 如锥形过渡段小端 边缘效应解中的局部薄膜应力则必含有一次应力成份 归入PL并非是保守处理 锥壳过渡段小端控制值为1 1Sm而不是1 5Sm 50 51 52 关于自限性自限性取决于该应力对平衡外部机械载荷所起的作用 一次应力平衡外部机械载荷所必须的应力 当载荷不断增加时 它必须随之成比例地增加 平衡不了外载荷就意味着结构的破坏 对于无硬化的理想塑性材料 当应力达到屈服后只会产生塑性流动而不能提高塑性区内的实际应力水平 去平衡增加的外载荷 当结构整体或某部分全面进入塑性流动而形成垮塌机构时 在载荷的推动下 塑性流动是不可限制的 因而一次应力没有 自限性 或称 可限性 由于将一次应力控制在弹性范围内 弹性变形所起的不连续性是比较小的 虽然在二次应力与峰值应力区内的应力水平较高 但只要它们产生的塑性变形足以克服这微小的弹性不连续性 使变形连续条件得到满足 塑性流动就会自动停止 相应的名义应力也不会无限增大 这就是二次应力的 自限性 由于有自限性的应力与平衡外载无关 故不影响结构的极限载荷大小 在一次加载条件下自限应力不会导致结构破坏 53 例以端部具有平封头 壁厚为 的圆筒形受压容器为例 由于各内力分量均可用径向位移W x 来表示 因此求解圆柱壳体的基本方程是以W x 为未知量 方程为 其中 这是一个四阶常系数非齐次微分方程 它的解由两部分组成 非齐次方程的特解加上对应的齐次方程的通解 这个特解实际上即为无矩理论中的薄膜位移W 而齐次方程的通解则对应于边缘效应区的径向位移W1 x 筒体径向总位移则为 W x W W1 x W x PR2 2E 2 e 2D 3 M0 sin x cos x Q0cos x 求出位移后 进而可求出边缘效应区的内力 再求得应力 54 55 几点提示1 不能把 一次应力是平衡外载荷所必须的 理解为 可用静力平衡条件确定的应力 2 不能把一次应力理解为 由载荷引起的 由载荷引起的应力并非全是一次应力 标准中将此称之为载荷应力 3 不能把二次应力说成是 由约束引起的 因为约束可以引起二次应力 也可以引起一次应力 4 满足变形协调方程 平衡方程等 是连续体内真实应力的基本属性 不能把一次应力与二次应力说成一个是满足平衡方程 另一个是满足变形协调方程的 56 应力分类 57 58 59 60 61 62 应力强度评定内容1 设计应力强度Sm2 主应力计算 求应力强度3 各类应力强度与设计 许用 应力强度比较 用虚拟应力进行 先将应力分量叠加 再算应力强度 反之不可 校核过程中均包含比它更危险的应力成份 4 若承受交变载荷 尚须进行疲劳寿命校核 63 64 65 分析设计标准的简化处理是分别根据两端固定均布载荷矩形截面梁的极限载荷与受反复热循环 两端刚性约束杆件的安定载荷 定出应力强度校核的两个系数1 5和3 0 并将此值推广应用到任何载荷情况下的压力容器及其部件 对相关应力强度要求 A S 1 0Sm Pm B S 1 5Sm PL Pb C S 3 0Sm PL Pb Q 实际结构的几何形状与应力分布各不相同 垮塌机构形式和应力重分布过程也各不相同 大多数结构关于准则B的系数是在1 1 2 5之间 如对锥形过渡段小端应为1 1 1 2 对于准则C 某些尺寸的椭球形封头压力容器的安定压力低于准则C给出的容许值 对于圆柱壳开孔接管为安全也将系数由3 0改为2 6 JB4732标准之附录J 总的来说 标准这样处理 采用A B C式 对大多数结构仍是安全的 66 67 68 69 70 解 在正常运行时 壳体中将产生以下几种应力 内压引起的薄膜应力 壳体与管板连接处因边缘效应引起的不连续应力 由于壳体与管子的温差引起的热应力 1 由内压引起的薄膜应力符号 左下角标代表引起应力的原因 右下角标代表应力的方向 这里P代表内压 表示为环向 内压引起壳体中的环向应力与轴向应力分别为 未考虑内压对管板的