欧盟压力容器标准EN 13445分析设计标准概述定稿

欧盟压力容器标准EN13445分析与设计标准概述，哈尔滨，2006年8月21日，上海工业大学化工机械研究所，苏联文献，前言。欧盟标准化委员会花了9年时间起草欧盟非直接接触火焰压力容器标准草案。该草案于1999年提交成员国征求意见。欧盟成员国于2002年3月正式投票通过了修订后的标准EN13445，并于同年5月30日颁布了该标准的第一版。EN13445-3有两个介绍分析设计的附录，即附录B和附录C。本文介绍了欧盟压力容器标准EN13445的思想和基本内容。1.1欧盟对当前分析和设计的考虑，1.1应力分类(弹性法)的现状和问题，1.2直接法(非弹性法)的现状和问题，1.1应力分类(弹性法)的现状和问题根据应力分类(弹性法)的分析和设计要求，将应力分为一次应力、二次应力和峰值应力，然后根据各种应力对承压设备失效的危害性的不同，采用不同的设计标准进行限制。有限元分析是基于弹性理论而不是薄壳理论来获得应力数值解。如何将这些应力数值解分为主应力和次应力，并对其进行评估是非常困难的。在过去的40年中，分析和设计标准中涉及的分析和设计方法原则上没有调整和修改。同时，应力数值解的评价也没有明确定义。如何对压力进行分类已经成为分析和设计中最重要的任务之一。早期的应力分类方法主要是等效线性化方法，包括点处理法、线处理法和面处理法。随后，先后提出了广义局部应力应变节点重分布法、弹性补偿法和主结构法。首次引入分析设计时，承压设备设计中的主要分析方法是薄壳的不连续分析。它基于薄壳理论。在用有限元方法分析计算承压设备的响应后，有限元分析是基于弹性理论而不是薄壳理论来获得应力数值解。除了极薄壳外，应力沿壁厚呈非线性分布。以赫赫梅尔和霍林格为代表的美国压力容器研究委员会(PVRC)对三维应力数值解评估技术进行了研究，但很难取得突破性进展。其原因是迄今尚未解决以下问题：如何选择应力分类线或平面应线性化的应力分量，如何在三维有限元分析中线性化应力，以及1.2直接法(非弹性法)的现状和问题。在分析设计规范中，弹性计算是首选，因为弹性分析简单，方法成熟，计算成本低。但是现在这些不是分析和设计中要考虑的主要问题。分析和设计中的非弹性分析方法是使用极限分析和安全分析方法来直接限制载荷，而不用对弹性名义应力进行分类。1.2.1极限分析1.2.2塑性分析，1.2.1极限分析，极限分析是假设材料为理想弹塑性(或理想刚塑性)且结构处于小变形状态，研究塑性极限状态下的结构特性。极限分析的上限和下限定理可以用来确定结构的极限载荷。通常，结构的下限载荷是根据下限定理确定的。只有相对简单的问题，例如简单的容器和具有轴对称结构的环形板，才能获得它们的极限载荷。对于一些复杂的结构，无法得到极限载荷的解析解。大多数数值解是基于有限元法和数学规划法的结合。极限条件通常是非线性的。因此，只有相对简单的问题，如简单的容器和具有轴对称结构的环形板，才能获得它们的极限载荷。由于塑性理论模型的复杂性和求解非线性方程的困难性，到目前为止，极限载荷的解析解为了克服弹塑性增量有限元法的困难，人们提出了许多简化的分析方法来寻找极限载荷：塞沙德利提出的广义局部应力应变节点重分布法光泽度)与实际极限载荷相差很大。由麦肯齐和博伊尔首次提出的弹性补偿法得到的极限载荷值比弹塑性分析得到的值小11%20%。其精度受网格密度和元素顺序的影响很大。数学规划方法很难理解，也很难编写有限元程序。1.2.2塑性分析，承压设备的塑性分析，是通过实验或非线性有限元方法计算，获得结构上关键部位的载荷-应变(或变形)曲线，然后根据不同的标准确定塑性载荷。根据荷载-应变(或变形)曲线，确定塑性荷载值的准则主要有：0.2%残余应变准则、双弹性变形极限准则、1%塑性应变准则、双弹性斜率准则、双切线准则、零曲率准则等。(1)双切线准则该准则由Save提出。该标准的缺点是切线交点不在载荷-变形曲线上。根据该标准确定的塑性载荷基于Townley等人提出的外推方法(2)1%塑性应变标准。由该标准确定的承压设备的塑性载荷与所选承压设备的测量点位置有很大关系。(3)两次弹性变形规范，美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范，标题八，1974，使用这个方法作为设计标准。计算的塑性载荷误差相对较大。(4)双弹性斜率准则自1975年以来，一直采用美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范。的分散。但是在大多数情况下，塑性载荷值是保守的。柯克伍德丹尼尔和莫法特计算了承受内压的相同直径三通结构的极限载荷。结论是，对于给定的结构，根据两倍弹性斜率准则获得的塑性载荷是不确定的。ArtursKalnlns和DeanP。厄普代克对承受内压的锥形封头、碟形封头和球形封头进行了塑性分析。据信，当为同一构件选择不同的载荷-应变(或变形)曲线时，由两倍弹性斜率标准确定的塑性载荷误差最大。(5)0.2%残余应变标准该标准被美国机械工程师学会1971采用。在通过实验确定载荷-最大应变曲线时，由于最大应变不易直接测量，该方法不实用。(6)德米克德米尔和德鲁克在1963年建议，当实际位移等于弹性响应变形的三倍时(即假设材料在初始弹性响应中仍然变形)，将实验极限载荷作为载荷。这个定义的实质是三重弹性斜率的标准。(7)三重弹性变形准则Schroeder将弹性响应的变形视为切线相交变形，将塑性载荷定义为实测变形等于弹性变形的3倍时载荷-变形曲线上的载荷。(8)塑性工作标准该标准由Gerdeen于1979年提出。他建议参数选择的原则是载荷参数和相应的变形参数的乘积代表功，如力和位移、弯矩和转角。此时，载荷-变形曲线下的面积代表集装箱上载荷所做的功，总功包括弹性功和塑性功。在确定塑性载荷时，塑性功可以用来判断变形参数。9)零曲率准则该准则是由陆明万教授等人提出的，是对双切线准则的改进。这是一个没有任何人为因素的标准。上述确定塑性载荷的标准都是基于载荷-变形曲线具有显著塑性流动阶段的特性。通过给定某一系数并在曲线上画出一些特征线来确定塑性载荷。这里存在一个问题，即根据载荷-变形曲线上的一些特征定性地分析显著塑性流动阶段，而不是定量地分析。在这些情况下，显著塑性流动的开始不能以其膝端为特征。(1)在这种情况下(2)在结构几何弱化的情况下，如果几何弱化效应是由大变形引起的，就会发生弹塑性失稳；(3)当结构局部坍塌较弱时，可能出现双膝。(4)对于同一结构，根据不同的塑性载荷确定标准计算的塑性载荷结果有很大差异。卢明万教授等根据零曲率准则对带径向接管的球形容器进行内压测试，确定其塑性载荷，并对两组布置在同一平行接管圆周上但母线不同的电阻应变片的测量结果进行了分析。理论上，在每个测量点，它们的曲线应该是相同的，但是由于局部几何形状的影响，测量的曲线具有不同形状的膝盖。对于带有径向喷嘴的球形容器，稳定性载荷的计算是基于梅兰的下限稳定性理论和柯伊特的上限稳定性理论。对于循环荷载作用下的理想弹塑性结构，必须先找到残余应力场，然后将残余应力场与循环荷载引起的线弹性应力场叠加。如果叠加应力场满足不处处屈服的要求，则结构处于稳定状态。这是梅兰的下限稳定性理论。在塑性理论中，如果某一种方法可以用来计算极限载荷，那么只需要很小的修改来计算稳定载荷。事实上，极限理论和稳定性理论是相同的，但载荷条件不同。极限理论适用于静态载荷，而稳定性理论适用于动态载荷。1.2.3安全分析，2新概念，标准提出的一些新概念：原理和应用准则荷载部分安全系数结构应变荷载响应设计检查强度设计检查。(1)原则和应用标准原则是给定故障形式的概述、定义和基本要求。在正常情况下，该原则的基本要求和分析模型不能被其他人所取代。申请标准是遵循原则并确定其要求是否得到满足的过程。与原则不同，对于同一原则，可以有多个满足相应原则要求的应用标准。(2)负荷(动作)不同于以前的标准。欧盟标准中的载荷指的是所有的热和机械量，如力(包括压力)、温度变化和施加的位移，这些都会对结构产生应力或应变。根据载荷随时间的变化可分为四类：永久载荷(永久载荷)永久载荷包括结构的自重、辅助设备和附件的重量等。变量包括施加到结构上的载荷、风载荷和雪载荷，但不包括压力和温度以及与确定它们相关的载荷。意外载荷(exceptionalactions)是二次载荷和由于一次载荷失效引起的意外地震载荷。压力和温度以及由它们确定的相关载荷。虽然这两个量属于变化载荷，但由于它们随时间变化的特殊特性和随机特性，它们被单独视为一种载荷。(3)局部安全系数分析的不确定性、不同荷载类型和组合的结构性能和后果的差异以及不同的失效模式会给分析带来一定的困难。为了全面考虑这些因素的影响，欧盟标准引入了部分安全系数的概念。对于不同的荷载、不同的荷载组合、不同的破坏模式和不同的结构，分别给出了不同的局部安全系数。这些局部安全系数构成结构的整体安全系数，即复合安全系数，从而调整结构的安全裕度。该标准给出了不同条件下各种载荷的部分安全系数。(4)(等效)无应力集中模型(等效)无应力集中模型是一种无局部应力或应变的等效理想结构模型。(5)无应力集中模型中结构应变的应变。例如，考虑在理想模型中确定的应变，例如导致局部应力或应变集中的实际几何结构模型。结构应变包括整体结构的详细影响。如支管连接、原锥体与筒体的连接、筒体与封头的连接、厚度的不连续性、钢筋、设计形状的偏差以及整体影响，如圆柱壳的不圆度，但不包括局部结构细节中的切口影响，如焊缝半径、焊趾、焊缝的不规则结构、小(部分穿透)开口或局部温度场。采用壳单元或梁单元的有限元分析可以直接给出结构的应变。(6)载荷响应的设计检查载荷的设计响应是在外部载荷作用下结构中产生的载荷、内力(广义应力)和应变，它是设计载荷和结构几何形状的函数。载荷响应的设计检查是为了评估结构在特定极限状态(代表一种或几种失效模式)下特定载荷组合下的安全性。在设计验算中，将设计荷载的特征值乘以相应的局部安全系数，得到结构的设计荷载，然后得到相应的设计响应值，并与相应的设计强度进行比较。设计强度是相应载荷组合的结构强度除以相应的强度部分安全系数。(7)失效模式和极限状态主要失效模式和相关极限类型见表1。最新的分类是基于负荷是短期的、长期的还是周期性的。极限状态可分为最终极限状态和功能极限状态。极限状态与部件和容器的爆炸或倒塌有关，或可能危及生命，包括整体塑性变形的失效、疲劳引起的断裂以及容器或其部件不稳定引起的倒塌。功能极限状态是部件或容器的结构状态，它超过了给定的功能标准，并且不再能够满足该标准。能量极限状态包括可能严重影响容器使用的变形或位移，包括机器的正常功能或功能，或对结构或非结构单元造成损坏。与其他安全结构失效模式相关的结构状态。直接法是分析和设计欧盟标准的最大特点，用于分析结构的各种失效机理。同时，保留了传统的应力分类方法，并将其应用于薄壳等简单结构的分析和设计。根据所涉及的标准，每个相应的故障模式都有相应的设计检查，并且每个设计检查代表一个或多个故障模式。包含在EN13445中的失效包括：整体塑性变形(GPD)、增加塑性变形(PD)、不稳定性(I)、疲劳(F)、静态平衡损失(SE)和3.1整体塑性变形(总塑性变形)。原则是对于每种载荷情况，载荷的设计值或载荷组合的设计值应由设计模型表示，设计模型应遵循以下原则：1)材料本构关系的线弹性理想塑性本构关系；2)遵守tresca屈服准则(最大剪应力准则)和相关的流动准则；3)设计强度参数应符合相关规定；4)某些安全因素应符合相关规定；5)对于所有载荷成比例增加的无应力集中模型和无应力初始状态，主要结构应变的最大绝对值应小于333，545%正常工作载荷条件333，547%试验载荷条件，DearMrWenxian，5%来自于任意一个视点。mainlywewanteduniqueansfordbaperformedbydifferentpeople，withdifferentsoftware，differentpatienceetc .inourfirstdraftweddusethetangentintersectionapproach-I . e . weusedas designvalueforhatwethestillcalledresistancethevaleoftheaaction对应于theintersectionofthetangentintheelastiregimeandthenatheplastiregimefoeavaluewhichresultedinaplasticdformationofnot more 5%。t hisleadtotwoproblems : asyouknowthis