欧盟压力容器分析设计标准简介-

1、标准规范欧盟压力容器分析设计标准简介浙江大学化工机械研究所苏文献郑津洋陈志平摘要:介绍了欧盟统一标准prE N13445-35非接触火焰压力容器6中与分析设计相关的一些新理念和设计方法,为我国现行分析设计标准的修订提供参考。关键词:分析设计;新理念;设计方法中图分类号:T655;TH49文献标识码:A文章编号: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前言以美国ASME锅炉与压力容器规范第Ó篇和第Ø第2分篇为代表

3、的分析设计标准,主要是采用弹性应力分析和塑性失效准则相结合的方法。由于弹性应力分析的手段是成熟的,因此,这种以弹性分析代替塑性分析的工程近似方法所给出的应力评定准则在工程上得到了广泛的应用。最初,分析设计规范所涉及的应力分析方法主要是薄板和薄壳理论以及少量弹性力学解,能准确地将求得的薄膜应力和弯曲应力分类成一次应力和二次应力,并加以评定。有限元法的出现,丰富了应力分析的方法。而分析设计规范对如何保证有限元计算的正确性,特别是对求得的应力数值解如何分类等问题未给出指导性的规范原则。随着近代力学和计算机技术的高速发展,出现了许多功能强大的有限元应力分析软件,有限元法已成为应力分析的重要工具,大大提

4、高了应力分析的能力和精度。但是,在应用有限元进行应力分析特别是基于轴对称或三维实体单元分析时,对计算结果的应力分类就非常困难。因此,在按分析设计进行压力容器零部件的壁厚计算或强度校核时,由于采用了不同的分析方法,有时会得到差别很大的结果,直接影响了分析设计标准的应用。最近,欧盟技术委员会CE N TC54起草了欧盟统一标准prEN13445-35非接触火焰压力容器6,其中一些新理念和设计方法,对我国修订现行分析设计标准很有参考价值。本文对这些新理念和设计方法作了介绍。2新概念为了解决目前分析设计方法的困难,同时,更好地阐述分析设计中的直接方法,标准提出了一些新概念,包括原理和应用准则、载荷、部

5、分安全系数、载荷响应的设计校核和强度的设计校核等。2.1原理和应用准则标准在原理和应用准则上作了区别。原理是对给定的失效形式的概述、定义和基本要求,如果没有特别说明,其基本要求和分析模型不能用其它的来替代。应用准则是遵从原理并确定是否满足其要求的过程。与原理不同的是,可以有多个和符合相应原理的应用准则。例如,对结构总体塑性变形,其原理是:对任何载荷工况,其设计载荷都不能超过其设#1#计强度。其相应的应用准则有两个:一是设计载荷小于极限载荷的下限值与相应的部分安全系数之比;二是最大一次应力强度不大于结构材料设计强度与相应的部分安全系数之比。2.2载荷与以前规范标准不同,欧盟标准中的载荷,指所有加

6、在结构上引起应力或应变的热、机械量,如力(包括压力,温度变化和施加的位移。载荷按随时间的变化可分为四类:(1永久载荷:包括结构的自重、辅助设备及附件的重量等。(2变化载荷:包括对结构施加的载荷、风载荷和雪载荷,但不包括压力和温度及与确定它们相关的载荷。(3意外载荷:由于一次承载的失效导致二次承载的载荷及意外的地震载荷。(4压力和温度:尽管这两个量属于可变载荷,但由于它们具有随时间变化的特殊性能以及随机的特点等,因此,将他们单独化为一类载荷来考虑。2.3部分安全系数分析的不确定性,不同的载荷种类及组合形式、不同的失效形式中结构行为和产生后果的差异等都会给分析带来一定的困难。为了综合考虑这些因素的

7、影响,欧盟标准引入了部分安全系数的概念。对不同的载荷、载荷组合、失效形式和结构,给予不同的安全系数。这些部分安全系数组成了结构的总体安全系数即复合安全系数,以此来调整结构的安全余量。标准给出了各种载荷在不同条件下的部分安全系数。2.4载荷响应的设计校核载荷的设计响应是在外部载荷作用下在结构中产生的载荷、内力(广义应力和应力,它是设计载荷和结构几何尺寸的函数。载荷响应的设计校核是在特定的载荷组合下,就结构特定的极限状态(代表一种或几种失效形式,对结构安全性的评定。在设计校核中,用设计载荷的特征值乘以相应的部分安全系数,得到结构的设计载荷,再求得相应设计响应值,将它和相应的设计强度作比较。设计强度

8、是由对应的载荷组合的结构强度除以相应的强度部分安全系数。2.5强度的设计校核强度的设计校核是由结构的失效形式直接决定的,标准中结构的失效形式主要包括:总体塑性变形、渐增塑性变形、失稳、疲劳和静平衡。根据不同的失效形式直接采用相关的失效准则来限定。3直接方法用直接方法来进行结构的各种失效机理分析是欧盟标准在分析设计中的最大特点。同时,也保留了传统的应力分类方法,应用于薄壳等简单结构的分析设计。标准用来预防结构的失效形式主要有三种:即总体塑性变形、渐增塑性变形(棘轮和疲劳,这三种失效形式分别由极限理论、安定理论和疲劳理论确定的失效准则来限定。3.1总体塑性变形在直接方法中,为了防止结构发生总体塑性

9、变形,标准给出了两种方法:下限极限载荷法和最大一次应力强度法。(1下限极限载荷法:就是限制结构的设计载荷不大于极限载荷与相应的部分安全系数之比。结构的极限载荷分析是基于以下假设:所有的载荷都是采用比例加载,遵守小变形理论,材料模型为理想弹塑性或理想刚塑性,服从Tresca屈服准则和相关的塑性流动准则。为了避免在计算中可能出现解的不收敛等问题,标准建议可以采用线性强化弹塑性材料模型来代替理想弹塑性或理想刚塑性材料模型。另外,在根据载荷与变形量关系曲线确定结构的极限载荷时,与现行的美国ASME等规范采用的两倍弹性斜率不同,欧盟标准采用了双切线相交法。这是因为用该方法确定的极限载荷值完全由曲线本身决

10、定,无人为因素起作用。而两倍弹性斜率法确定极限载荷与结构局部几何形状、测点局部进入塑性的早晚及应力重新分布的方式有关;同时,文献2指出对于给定的结构按两倍的弹性斜率法得到的塑性极限载荷是不确定的,该文对两个受内压作用、支管长度不同的等径三通的极限载荷进行了研究。研究结果表明:用两倍弹性斜率法求得的两个三通的极限载荷不等,短支管三通的极限载荷小于长支管三通的极限载荷,而用切线相交法求得的两个三通的极限载荷相等。如果在载荷与变形量关系中主应变不超过?5%的区域载荷没有最大值,标准规定极限载荷的确定按如下方法进行:一条切线通过曲线的原点,另一条切线通过最大主应变不超过?5%的点。(2最大一次应力强度

11、法:就是限制结构的最大#2#CPVT欧盟压力容器分析设计标准简介Vol19.No72002一次应力强度不大于材料的设计应力强度与相应的部分安全系数之比。该方法的本质和应力分类法中对一次主应力的限制是一样的。与应力分类法不同的是,当结构是梁、板及壳时,标准采用了内力的概念,应用内力和结构的局部极限载荷对总体塑性变形进行限定,并给出了不同结构的许用内力表达式。如厚度为e的轴对称结构平板,其单位长度的弯曲为m r、m U,极限弯曲为m pl =RMe2/4C R(R M是材料的设计应力强度,C R是部分安全系数。许用内力为|m r|m p l,|m U|m p l, |m r-m U|m pl。3.

12、2渐增塑性变形结构的渐增塑性变形分析是基于以下假设:变形遵守小变形理论,材料模型为理想弹塑性,服从Mises屈服准则和相关的塑性流动准则。欧盟标准采用了应力偏量来限制结构在循环载荷作用下的渐增塑性变形,在分析过程中假定所考虑的点处于无应力集中的理想结构中。分主应力方向不变和主应力方向改变两种情况考虑。(1主应力方向不变时:对无应力集中的结构中的点,在循环载荷作用下,应用线弹性理论所求得的点的应力偏量曲线的直径不大于2倍的材料设计应力强度。(2主应力方向改变时:对无应力集中结构的每一点,选择与循环载荷时间点相对应的应力来作为研究对象。对任意t0、t时刻对应点的应力,应用线弹性理论确定的应力差的偏

13、量轨迹的直径不大于2倍的材料设计应力强度。标准指出,该方法只是防止结构发生渐增塑性变形的必要条件而不是充分条件,如果结构在该载荷作用下也能满足防止总体塑性变形的条件,那么这种方法就是充分条件。3.3疲劳欧盟标准在进行结构疲劳分析时,定量考虑了温度、表面粗糙度、厚度、平均应力的影响,对母材和焊接材料给出了不同的评定方法。相应地,分别给出了母材和焊接材料的疲劳设计曲线。这是与美国ASME等标准只给出了母材的疲劳设计曲线,而英国BS5500只给出了焊接材料的疲劳设计曲线显著不同之处。这极大地提高了根据标准求得的结构的疲劳强度的准确性。对简单的贴板焊和直焊缝部件,可用等效应力变化幅或主应力变化幅来确定

14、其疲劳寿命;对其它焊接结构的部件,给出了哪些部件应按等效应力变化幅确定疲劳寿命,哪些部件应按主应力变化幅来确定疲劳寿命的详细指导。对母材和螺栓结构则根据有效的缺口等效应力变化幅来确定其疲劳寿命。4应力分类法4.1应力线性化应力分类分析设计方法的原理和分析过程与ASME等规范基本上是一致的。欧盟标准将应力处理线的概念正式纳入标准,并给出了具体的应力线性化方法。具体的线性化过程分两步:第一步选择一条应力分类线。该线是连接所选结构危险部位两个表面的最短线。对于远离结构不连续的区域,该线垂直于两个表面,其长度等于壳体厚度。第二步将应力沿这条线线性化处理。将容器各计算部位应力,按选择的危险截面把各应力分

15、量沿该应力分类线进行均匀化和当量线性化处理,然后进行应力分类评定。均匀化处理后的平均应力属于薄膜应力,当量线性化处理后,应力的线性部分属于二次应力,剩余的非线性部分属于峰值应力。图1为应力(R i jNL沿分类 线线性化处理的结果。图1应力的线性化A-B应力分类线;(R ijm平均应力;(R ijL线性化的应力; (R ijb弯曲应力;(R ijNL非线性化的应力;(R ijp峰值应力(1薄膜应力:其分量是应力沿壁厚e的平均值:(R i jm=1ee2-e2R ij d x(2弯曲应力是沿壁厚线性分布的应力成分:(R i jb=12xe3e2-e2R ij x d x(下转第34页#3#第19

16、卷第7期压力容器总第116期为针状铁素体的形核核心,促进晶内细小针状铁素体的形成,从而细化组织,提高HAZ 强韧性。参考文献1 富田等1大线能量焊接用钢板J1神户制钢技报,1979,29(4:4-812 HT60S steel for high weld heat inputs:WE L -TEN60S and62SZ,Nippon Steel Corp,QT215,1974,1-3213 陈晓等编著1高性能压力容器和压力钢管用钢M 1北京:机械工业出版社,199814 Kal wal et al 1Steel ResearchJ11986,57(515 吕德林,李砚珠1焊接金相分析M 1机械

17、工业出版社,198616 Lee J L ,Wang S C,Cheng G H 1Mater Sci TechnolJ11989;5;67417 钱百年等1C 、Al 、Ti 对钢焊接热影响区韧性的影响J1材料研究学报,1995;9(218 尹桂全,高甲生等1微量Nb 对微Ti 钢焊接HAZ 奥氏体晶粒长大倾向的影响J1焊接学报,1998;19(119 Edward Amold 1RWK Honeycombe Steels -M icrostructureand PropertiesM11981110 金迟正午,中岛明,冈本健太郎,金谷研1铁H 钢M11975,61,2589111 黑迟文夫

18、,铃木茂1日本金属学会会报J11991;30112 Tomita Y,Osuka T 1ISIJ IntZ,1994;34:829113 包永千著,金属学原理M1冶金工业出版社,1986114 Lee J L,Pan Y T 1Metall TransM11993;24A :13991收稿日期:2002-05-15作者简介:张莉芹,通讯地址:武汉科技大学理学院,邮编:430083。(上接第3页由于分析设计中只考虑壳体内外壁的最大和最小弯曲应力,其值为:(R i j b ,s =?6e 2e 2-e 2R ij x d x(3线性化的应力由薄膜应力和弯曲应力相加得到:(R ij L =(R ij

19、 m +(R i j b(4非线性应力:一点的应力的非线性部分即峰值应力是总应力和线性化应力的差(R ij p =(R i j -(R ij L =(R ij -(R i j m +(R i j b4.2 应力分类欧盟标准对大多数常见结构在压力、机械载荷和热载荷作用下产生的应力进行了详细的应力分类。与ASME 等规范相比,其应力分类所涉及的结构和作用载荷更广,如对平盖,ASME 等规范只给出了内压作用下中心区及与筒体连接处的应力及其分类,而欧盟标准则考虑了在内压、机械载荷、热载荷、因约束或施加的位移等条件下中心区、与筒体连接处及平盖开孔(接管有或无的应力及其分类。 5 结语欧盟标准与现行标准相比,其特点主要体现在以下几个方面:(1提出了一些新概念,以更好地阐述分析设计中的直接方法。(2对压力载荷以外的载荷的组合采用了复合安全系数的形式。(3采用直接方法对结构进行分析,同时,对薄壳等简单结构