压力容器分析设计方法进展

?必威动态 ????|???? ?2019-07-14 12:32


  压9力容器的111‘分析要方法,以反映分析设计方法的发展趋势。在工程应用上的基于弹性分析设计方法有:等效线性化方法、两步法、一次结构法、弹性补偿法和GLOSSR-Node法。这些方法各有特点和局限性。基于弹塑性理论的分析设计方法回避了弹性方法中应力分类法的实现难点等局限性,并已被编入欧洲联盟(European Union)的设计标准和美国的ASME规范。对一实例采用了不同的分析设计方法,结果表明,弹性和非弹性分析设计方法在应用过程和计算结果等方面都有较大的不同。压力容器的分析设计方法正逐步从弹性分析设计方法向非弹性分析设计方法方向发展。
  准;弹性与非弹性分析35:A analysis)正在经历从以弹性分析方法向非弹性分析方法方向发展的过程。根据压力容器的规范级别和结构形式的不同,压力容器部件设计采用不同的设计方法。常用的设计方法可分为常规设计方法和分析设计方法。现行的分析设计方法是以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法,工程应用的关键是对压力容器部件受载工况下的应力分析结果,根据结构的不同失效形式进行应力分类,而后,将分类后的应力按相应的应力强度准则加以限制,以设计出安全可靠、经济的压力容器。
  在解决实际工程问题中,基于弹性分析的应力分类方法对复杂构件或部位难以进行应力分类,也难以直接采用性能越来越强的有限元App的应力分析结果。
  有限元技术的发展,使得对复杂结构采用弹塑性分析成为可能,也给采用非弹性分析设计方法带来了实现的可能。基于弹塑性理论的非弹性分析设计方法己经列入一些国家的规范和标准,如欧洲压力设备(shèbèi)研究委员会于2002年5月颁布的欧盟标准EN 13445非接触火焰压力容器》采用的应力偏量曲线方法和非线性分析方法、ASME锅炉及压力容器规范提供的非弹性分析设计方法。
  非弹性分析设计方法能回避弹性分析设计方法在复杂结构应力分类时的不确定性等难点,成为分析设计方法的发展趋势(trend)。储气罐专门用来储存气体的设备,同时起稳定系统压力的作用,根据储气罐的承受压力不同可以分为高压储气罐,低压储气罐,常压储气罐。
  1弹性分析设计方法弹性分析设计方法是基于薄壳不连续理论发展起来的,应力分类是该方法工程实现的重要环节。尽管各国在压力容器设计规范标准中规定了应力分类方法的原则性规则,但在应用应力分类方法时却遇到很大困难。多年来,人们不断完善规范中的相关内容,总想提出更为方便实用的应力分类实现方法。除了已被广泛应用的等效线性化方法外,还提出了两步法和一次结构法。此外,由于20世纪70年代末、80年代初计算机的计算和后处理能力有限,当时还提出了伪非弹性分析方法即降低模数法。起初,降低模数法只用于弹性应力分类,而后降低模数法发展为弹性补偿法和GlossR-Node法,并被用于极限载荷分析。
  1.1等效线性化方法应力等效线性化概念源于ASME规范,由Kroenke等人首先于1974年把等效线性化方法应用于二维轴对称问题。对于三维问题,Hollinger和Hechmer两人提出了基于应力线性化的三维应力准则。等效线性化方法要求在结构危险截面上可能发生的几个危险部位设定一些应力分类线,应力分类线应贯穿壁厚,垂直于容器内、外两个表面或中面;然后根据合力和合力矩等效原理把沿应力分类线分布的应力分解成薄膜应力和弯曲应力,剩余的非线性部分则为峰值(peak)应力。到目前为止,著名的有限元分析(Analyse)程序如ANSY
  S、MAR
  C、NASTRAN等都提供了应力等效线性化的后处理功能。
  但是,对于复杂结构,等效线性化方法存在选择应力分类线或面不唯一的困难,以及在结构不连续部位应力线性化等难点,给实际应用带来了困难。
  1.2两步法陆明万教授等人于1986年提出了应力分类的两步法。两步法的第一步,是根据应力的作用和性质,将应力分为一次应力和自限应力两大类。一次应力P满足静力平衡条件,无自限性,它对容器失效所起作用很大。自限应力包括二次应力PQ和峰值应力它们满足变形协调条件,具有自限性,对容器失效所起作用较小。两步法的第二步,是根据应力的分布规律和影响范围,将一次应力分为一次总体薄膜应力p
  M、一次局部薄膜应力pl和一次弯曲应力Pb;将自限应力分为二次应力pQ和峰值应力PF.两步法不仅提供了应力分类的方法,而且还给出了识别峰值应力的1/4厚度准则。两步法中识别一次应力的第一步最为重要,但较难实施。
  和pF表示的是应力状态分量的组合,在美国机械工程师协会ASME标准中对应的是
  P、P
  M、P
  L、P
  B、Q和F. *次结构法对两步法存在上的一些困难E以及为解决如何识别一次应力应力分类中最重要而又较困难的问题,陆明万教授等人于1996年提出了一次结构法。
  用弹性补偿法进行应力分类,是依据塑性极限载荷和安定性理论,通过迭代计算修改弹性模量,使应力发生重新分布,由迭代过程(guò chéng)确定一次应力和二次应力。在的应力/应变图中,A点为应力分类点。一次应力满足平衡方程,应力大小不变,线段AB被定义为100%―次应力线。二次应力由变形协调产生,应变大小不变,线段AC被定义为100%二次应力线。
  实际上A点的应力是一次应力与二次应力的合成。
  通过非弹性分析得到D点的应力和应变,线段AD称为混合响应线。弹性补偿法采用迭代弹性有限元分析,通过式和式近似得到混合响应线的斜率。
  由可见,当0=0*时,全部是二次应力;当0=90*时,全部是一次应力。所以,0能够表示一次应力和二次应力之间的比例关系。
  力,a.是弹性分析得到的应力。
  的D点应力,和e*分别是1点和D点的应变。
  利用弹性补偿法进行极限分析,就是在弹性有限元分析的迭代过程(guò chéng)中,通过修改单元的弹性模量而引起应力重新分布,以近似模拟失效机制。在弹性补偿法中只要所计算的最大应力满足屈服极限,则应力场也就满足下界极限载荷理论,所对应的载荷就是容器或部件中的极限载荷的下界;再根据Tresca设计屈服准则,一次应力P完全满足下界极限载荷理论。为了建立弹性应力场,首先在任意载荷的作用下完成初次弹性有限元分析,其结果被作为后续线弹性分析的第0次迭代值,然后利用式对每个单元的弹性模量进行修改。
  节点等效值的最大值。
  布后)。
  下界极限载荷Pl的最大估计值是迭代极限载荷的最高值,即在应用弹性补偿法时,为了获得更接近的下界极限载荷,其有限元网格就要不断细化。值得注意的是弹性补偿的过程导致了有限元模型中的不连续应力场,在计算下界极限载荷时要保证应力是基于该不连续应力场中的非平均应力,而目前多数有限元App得到的应力都是采用应力平均后获得的光滑应力分布,只能得到近似的下界极限载荷解。
  于20世纪90年代初提出的,该方法用于计算结构极限载荷的近似值,利用再分配节点应力确定结构的塑性破坏载荷。此方法需要进行两次弹性应力分析:先对给定的载荷进行弹性分析,获得伪弹性应力场;然后根据式修改模型中每个单元的弹性模量Em后,再作第二次弹性分析。
  分区域发生应力再分配。
  对两次弹性分析应力结果进行比较,应力值未发生改变的节点即为再分配节点,再分配节点处的应力称作应力OTef.结构的极限破坏载荷为GLOSSR-Node法对于Seshadri的文章中给定的结构可以算出精确的极限载荷。该方法便于直观处理二维问题,为了有效使用该方法,需要对有限元模型的网格沿厚度方向逐步细化,限制了该方法在三维问题中的应用。此外,GLOSSR-Node法的模量修改过程会使有限元模型单元的弹性模量值相差多个数量级,因此该方法可能带来数值奇异问题。
  199孓211图加迭代的节点应力idEle你onicPublishing为了解决线弹性分析设计方法在应用上的困2非弹性分析设计方法向量终9点不在极限曲线的外侧妒那么结构点的应力ubli圆柱壳未受干扰端处节点无垂直位移难,近几年,非弹性分析设计方法取得很大发展。欧盟压力容器标准EN13445111和ASME锅炉及压力容器规范121中已列入了这部分网站内容。
  2.1欧盟标准EN13445中的分析设计方法2.1.1直接分析设计方法直接分析设计方法是欧盟标准EN13445的最大特点,该方法通过强度的设计校核,对结构进行多种可能失效机理的分析。该标准列举的分析计算方法主要有弹性补偿法、应力偏量曲线方法和传统的非线性分析方法;同时,对于简单结构也保留了传统的应力分类方法。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。在根据载荷与变形关系曲线确定结构的极限载荷时,欧盟标准采用了双切线相交法,其中双切线相交处的载荷代表极限载荷。
  2.1.2应力偏量曲线方法应力偏量投影图|28‘291是塑性理论中的一个简便工具,用于直观表示屈服条件下的极限应力状态,是应力点在主应力空间向应力偏量平面的投影图,其坐标系的单位向量e
  I、e2、e3与3个主应力方向一致。分气缸锅炉的主要配套设备,用于把锅炉运行时所产生的蒸汽分配到各路管道中去,分汽缸系承压设备,属压力容器,其承压能力,容量应与配套锅炉相对应。分汽缸主要受压元件为:封头,壳体材料等。在e
  I、e2、e3坐标系中此投影点的坐标值等于应力偏量的主值。在主应力方向不变的情况下,以此应力偏量投影图为工具,该投影点可以很简单地通过任意比例的Oie
  L、02e2、3e3向量相加获得,如所示,利用沃=来代替Oi,其中P Ml是相关材料的强度参量。
  对于结构的特定点,向量d是由于承受特定的载荷所带来的应力,其终点位置对应于一条极限曲线,它是符合Mises屈服条件的单位圆。如果状态符合相应屈服条件;如果向量终点在极限曲线上,那么塑性变形可能发生在此结构点上。如果结构承受循环载荷,则由向量d形成的应力偏量曲线与极限曲线之间的位置关系来判断结构的应力状态。
  2.2ASME规范的非弹性分析设计方法中NB -3213(或珊-2附录4-136)塑性分析“规定的非弹性分析设计方法。该规则提供塑性分析的引导原则,仅适合于计算对应总体塑性变形的极限载荷。
  该规则提供了极限分析和塑性分析两种方法,也提供了基于3Sm准则和弹性分析方法的安定性分析规则。在ASMEI和珊规范中利用变形测量,其中p
  3不同分析设计方法特点的比较3.1计算实例为说明不同分析设计方法的结果,以所示受内压具有平封头的圆筒形容器进行计算。该结构承受内压p=5
  8. 95MPa,材料弹性模量E=212MPa,材料强度极限p*=255MPa.本文用Ansys
  8. 0有限元App,采用八节点二维轴对称实体单元,单元数340个;边界条件是计算模型轴对称,并在表2应力分类方法的比较方法处理过程分类结果特点存在的问题等效线性化方法两步法一次结构法弹性补偿法(分类)弹性补偿法(极限分析)GLOSSR-Node法合力等效、合力矩等效从应力分类的概念出发找原始结构的一次结构对比理想的线弹性模型和非弹性模型计算结构的极限破坏载荷计算结构的极限破下界极限载荷极限破坏负载只适用简单结构,如薄壳等根据应力的作用和性质,以及分布规律和影响范围进行分类等效线性化方法的扩充可以有多种合理的一次结构应用于以压力容器为主的结构便于应用于有限元方法应用于以压力容器为主的结构便于应用于有限元方法近似计算结构的极限载荷,便于直观表达二维问题的模型没有区分出二次应力;应力分类线选择困难第一步不易实现一次结构不易得到存在近似性,未考虑PF须选恰当的有限元模型不便于表达三维问题,有限元解的数值问题应力分类线如所示选取。表1中列出了每条应力分类上的均布应力心,均布应力和弯曲应力之和pm+Pb,以及峰值应力P的计算结果。
  表1应力分类法计算结果分类线序号分类应力符号Mises等效应力/MPa单位:mm受内压具有平封头圆筒形容器结构部分安全系数沁=1.25,则材料的设计强度Pm/沁=204MPa;压力载荷的部分安全系数心=1.2.任意给定应用载荷100MPa经过10次迭代,计算得到收敛的应力场,代入式(4)就得极限载荷Pl.该标准要求满足Tresca屈服(弯曲起伏)条件,因此,对应于总体塑性变形失效模式的最大许用压力为非线性分析一总体塑性变形校核采用理想弹塑性材料模型,材料强度为204MPa.载荷递进加载在结构上,计算的终止条件是节点的无约束水平位移不满足收敛条件,即认为结构达到总体塑性变形。为此,假设最后的收敛解为极限值Pl.因此,此结构满足Mises屈服条件的最终收敛解是89.05MPa.依据Tresca屈服条件,得到最大许用压力为64.非线性分析得到的载荷极限值比弹性补偿法分析得到的载荷限值提高约9%.其代价是非线性分析复杂、难度大,要花更多的时间和资源。等效线性化方法虽然应用简便,但在结构不连续处的应力分类线(中c-线)并不能符合ASME标准的要求,因而无法确保该处应力分类结果的正确性。
  3.2不同分析设计方法的比较本文所述的不同分析设计方法(包括应力分类方法)各有特点。现以承压容器为例进行比较(见表2)。由表2可见,在实际使用中,由于现行分析设计规范对数值解如何进行应力分类等问题未给出引导性意见。因此,用表2中的前4种方法进行应力分类都存在困难。弹性补偿法(极限分析)和GLOSSR-Node法通过计算结构的极限破坏载荷,避开了这类应力分类问题。弹性补偿法是欧盟压力容器标准1201中列举的分析计算方法之一,也被日本工程师协会(JSME)认为是符合规范标准要求的首选方法。在ASME的报告中,也作为避免应力分类难点的分析方法被推荐用于压力容器设计。
  欧盟标准EN13445采用的应力偏量曲线方法对结构进行渐塑性变形分析。储气罐专门用来储存气体的设备,同时起稳定系统压力的作用,根据储气罐的承受压力不同可以分为高压储气罐,低压储气罐,常压储气罐。但是标准指出,该方法只是防止结构发生渐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总体塑性变形的设计校核条件,那么这种方法就是充分条件。而且采用此方法进行渐塑性变形校核时要求结构是无应力集中的理想结构,这就带来如何避免应力奇异点的问题,尚需进一步研究。
  4结论弹性分析设计方法所依赖的应力分类方法对于简单的压力容器部位能给出分类结果,使得分析设计方法得以应用。而对于复杂结构的不连续部位进行应力分类存在一定的困难,如模型建立(薄壳、厚壳还有实体模型)和应力线性化等;而且分析过程很难或者不能完全符合ASME等规范的要求,因此应力分类往往成为实践分析设计方法的关键难点。同时,应力分类方法没有能够很好地找到与有限元技术和计算机软硬件水平发展的结合点,反而成为有限元应用与分析设计方法结合的瓶颈。
  尽管人们仍然在寻找弹性分析下实用的应力分类的分析设计方法,但是,非弹性分析设计方法的研究己经取得了实质性的进展和成果。2002版欧盟标准EN13445提供的分析设计方法能够根据各种不同失效机理对结构直接进行分析,并由相应的规则加以限制,避免了应力分类这个难题,同时对于简单结构保留等效线性化方法。1994年,ASME的一个工作组认为非弹性方法是分析设计方法的未性方法。随着计算机技术的发展,对压力容器与部件直接进行弹塑性非线性分析己经成为可能,因此,采用弹塑性理论的非弹性分析设计方法正在逐渐成为压力容器等承压设备重要的分析设计方法。