压力容器分析设计方法与工程应用

第一篇概述篇

第1章绪论

1.1国际压力容器规范的进步

1.1.1欧盟EN13445

1.1.2美国ASME Ⅷ2

1.2国内规范修订方向

1.3计算机辅助工程的发展

1.4分析设计发展趋势

第2章分析设计方法概要

2.1分析设计的基本概念

2.1.1应力强度

2.1.2总体结构不连续

2.1.3局部结构不连续

2.1.4法向应力

2.1.5切应力

2.1.6薄膜应力

2.1.7弯曲应力

2.1.8热应力

2.1.9运行循环

2.1.10应变循环

2.1.11疲劳强度减弱系数

2.1.12自由端位移

2.1.13蠕变

2.1.14塑性

2.1.15塑性分析

2.1.16棘轮效应

2.1.17安定性

2.1.18应力应变曲线

2.2压力容器的失效模式

2.3分析设计考虑的失效模式

2.4弹性分析与应力分类法概要

2.4.1一次应力

2.4.2一次总体薄膜应力

2.4.3一次局部薄膜应力

2.4.4一次弯曲应力

2.4.5二次应力

2.4.6峰值应力

2.4.7总应力

2.4.8应力分类

2.4.9应力评定

2.4.10应力分类及应力强度极限值

2.4.11应力强度极限值的依据

2.4.12应力分类遇到的问题

2.5弹塑性分析设计法概述

2.6小结

第二篇理论篇

第3章梁的弯曲

3.1纯弯曲

3.1.1横截面上的应力

3.1.2纯弯曲和横力弯曲的概念

3.2弯曲正应力

3.2.1几何方面

3.2.2物理方面

3.2.3静力学关系

3.2.4轴惯性矩

3.3强度条件

3.4纯弯矩作用下单位宽度矩形截面梁

3.5拉伸和弯矩同时作用下矩形截面梁

3.6截面形状系数

3.7小结

第4章弹性力学基础

4.1弹性力学基本假设

4.1.1连续性假设

4.1.2完全弹性假设

4.1.3均匀性假设

4.1.4各向同性假设

4.1.5小位移和小变形的假设

4.1.6引入基本假设后的变化

4.2弹性力学基本概念

4.2.1外力

4.2.2内力与应力

4.2.3一点的应力状态

4.2.4形变

4.2.5位移

4.2.6小结

4.3弹性力学基本方程

4.3.1平衡微分方程

4.3.2几何方程

4.3.3物理方程

4.4边界条件

4.4.1给定位移的边界

4.4.2给定力的边界

4.4.3混合边界条件

4.5结构的对称性

4.6弹性力学的一般定理

4.6.1解的唯一性定理

4.6.2解的叠加定理

4.6.3虚位移原理

4.6.4最小势能原理

4.6.5外力功的互等定理

4.6.6圣维南原理

4.7热应力

4.7.1计算热应力的必要参数

4.7.2热应力的特点

4.7.3热应力实例

4.8讨论

4.9小结

第5章塑性力学基础

5.1概述

5.2塑性力学基本假设

5.3变形路径对塑性变形和极限载荷的影响

5.4屈服条件

5.4.1屈服条件的概念

5.4.2特雷斯卡屈服条件

5.4.3米泽斯屈服条件

5.4.4两种屈服条件的优缺点

5.5强化模型与加载条件

5.6小结

第6章有限元法基础

6.1基本方程的矩阵表示

6.2基本原理

6.3单元的位移模式和解的收敛性

6.4单元的应变矩阵和应力矩阵

6.5单元介绍

6.5.1三维实体单元

6.5.2轴对称单元

6.5.3薄壳单元

6.5.4划分单元注意事项

6.6小结

第三篇规范篇

第7章塑性垮塌的评定

7.1弹性应力分析方法

7.1.1弹性应力分析步骤

7.1.2应力线性化

7.1.3应力分类的指导原则

7.1.4载荷组合系数

7.1.5接管应力评定

7.2非弹性分析方法

7.2.1极限载荷设计的概念

7.2.2ASME极限载荷分析法

7.2.3ASME弹塑性应力分析法

7.2.4JB4732中的非弹性分析

7.3小结

第8章局部失效的评定

8.1弹性分析法

8.2弹塑性分析法

8.2.1评定步骤

8.2.2累积损伤

8.3小结

第9章屈曲的评定

9.1屈曲的定义

9.2屈曲评定的三种方法

9.3设计系数

9.4小结

第10章疲劳

10.1疲劳分析免除

10.1.1疲劳分析免除准则

10.1.2疲劳分析免除的原理

10.2疲劳曲线

10.3三种疲劳评定方法简介

10.3.1弹性疲劳分析法

10.3.2弹塑性疲劳分析法

10.3.3等效结构应力法

10.4小结

第11章棘轮的评定

11.1安定与棘轮的概念

11.2弹性分析法

11.2.1弹性安定的原理

11.2.2弹性分析法的评定

11.2.3简化的弹塑性分析法

11.2.4热应力棘轮评定

11.3热应力棘轮评定方法修订的解读

11.3.1ASMEⅧ2（2013版）中的修订

11.3.2原评定方法的制定依据

11.3.3布里法的不足

11.3.4考虑热薄膜和弯曲应力的棘轮边界

11.3.5ASMEⅧ2（2013版）修订时的考虑

11.3.6修订要点小结

11.4弹塑性分析法

11.4.1弹塑性分析法的评定

11.4.2弹性核

11.5评定方法的回顾

11.5.1弹性方法

11.5.2弹塑性方法

11.6小结

第12章蠕变疲劳的评定

12.1蠕变疲劳的概念

12.1.1蠕变

12.1.2疲劳

12.1.3蠕变疲劳

12.1.4韧性

12.1.5安定性

12.2蠕变疲劳设计的理论基础

12.2.1蠕变疲劳的试验方法

12.2.2常用的蠕变疲劳设计方法

12.3核电行业中的蠕变疲劳工程设计方法

12.3.1ASMEⅢNH

12.3.2R5规程

12.3.3RCCMR

12.4化工行业中的蠕变疲劳工程设计方法

12.4.1API579

12.4.2ASME规范案例2605

12.5小结

第四篇实例篇

第13章基于子模型技术的斜接管应力分析实例

13.1设计条件

13.2几何模型

13.3网格划分

13.4加载求解

13.5子模型技术

13.5.1创建子模型

13.5.2修改几何模型

13.5.3重新划分网格

13.5.4重新设置边界条件

13.5.5求解并查看结果

13.6小结

第14章球罐分析实例

14.1GB12337—2014要点简介

14.2载荷分析

14.3载荷工况组合

14.4边界条件

14.4.1压力载荷

14.4.2自重载荷

14.4.3风载荷

14.4.4地震载荷

14.4.5位移边界

14.5应力评定

14.6丙烯球罐的整体分析

14.6.1设计条件

14.6.2几何模型

14.6.3网格划分

14.6.4载荷条件

14.6.5求解计算

14.6.6应力评定

14.7小结

第15章疲劳设备分析实例

15.1概述

15.2设计条件

15.3结构分析

15.4应力计算结果

15.5应力强度评定

15.6最大应力点疲劳评定

15.7结论

15.8小结

第16章高压容器局部结构分析实例

16.1简介

16.2设计条件

16.3结构分析

16.4应力分析计算

16.4.1筒体与接管的模型

16.4.2顶部平盖模型

16.5应力强度评定

16.6结论

16.7小结

第17章塔器风载荷时程分析实例

17.1塔器的受载特点

17.2自振特性

17.2.1概念介绍

17.2.2乙烯塔固有频率和振型计算

17.3风载荷时程分析

17.3.1风的特性与简化

17.3.2脉动风荷载时程

17.3.3顺风向的风振响应分析

17.4小结

第18章裙座热应力分析实例

18.1裙座热应力概述

18.2裙座热应力分析

18.2.1设计条件及结构参数

18.2.2温度场分析

18.2.3热应力和机械应力分析

18.3小结

第19章高压换热器强度分析实例

19.1设计条件及结构参数

19.2换热器有限元模型

19.2.1几何模型

19.2.2网格划分

19.2.3边界条件

19.2.4求解

19.3小结

第20章设备抗震分析实例

20.1抗震分析的相关概念

20.1.1振子模型

20.1.2反应谱

20.1.3标准反应谱

20.1.4楼层反应谱的生成

20.2抗震分析四种理论

20.2.1静力理论

20.2.2动力理论

20.2.3反应谱理论

20.2.4时间历程响应

20.3模型的选取

20.4解耦条件

20.5载荷组合

20.6折减系数

20.7许用限值

20.8大型气化炉地震响应的时程分析

20.8.1设计条件

20.8.2几何模型

20.8.3边界条件

20.8.4求解

20.8.5结论

20.9小结

第21章储罐罐顶的屈曲分析实例

21.1罐顶失稳原因

21.1.1罐顶外载荷的分析

21.1.2施工原因

21.2球面网壳形式

21.3有限元分析的依据

21.3.1有限元分析一般要求

21.3.2网壳的稳定性分析

21.4带施工缺陷的罐顶屈曲分析

21.4.1设计条件

21.4.2分析要求简析

21.4.3几何模型

21.4.4载荷条件

21.4.5模型计算假定

21.4.6线性屈曲分析与初始缺陷施加

21.4.7非线性分析

21.5小结

第22章基于弹性核准则的棘轮评定实例

22.1几何尺寸

22.2模型和分析方法

22.3边界条件

22.4分析结果

22.5小结

第23章ASMECodeCase2605蠕变疲劳分析实例

23.1设计条件

23.2最大一次静载下的强度校核

23.3蠕变疲劳的安定性校核

23.4稳态蠕变寿命计算

23.5蠕变疲劳寿命计算

23.6小结

第五篇软件篇

第24章ANSYSWorkbench平台

24.1添加材料

24.2几何建模

24.3接触类型

24.4网格划分

24.5分析设置

24.5.1StepControls

24.5.2SolverControls

24.5.3AnglysisDataManagement

24.6载荷与约束

24.7模型求解

24.8后处理

24.8.1结果查看

24.8.2应力精度的原理

24.8.3各种应力结果的含义

24.9小结

参考文献 2100433B

近年来美欧相继颁布了新一代的压力容器分析设计规范，提出了很多新的设计理念，吸收了诸多压力容器前沿技术。 与此同时，国内分析设计规范也修订在即。本书结合当前国内外分析设计的技术进步和工程实践，对压力容器分析设计相关的力学基础、应力分析、强度设计、规范条款、工具软件、工程实例和技术进展等进行了详细的阐述；对美欧规范中的分析设计方法均有涉及，既讲区别也讲联系；以失效模式为主线并结合工程实例对极限分析、安定分析、屈曲分析、疲劳分析及蠕变疲劳等评定方法进行了探讨。本书适合自学分析设计的技术人员，也可供资深工程师参考。同时，可作为分析设计考证人员的辅导资料或技术培训和继续教育用教材。

本书主要介绍了压力容器的弹性分析设计方法和弹塑性分析设计方法。第1章介绍了弹性应力分析方法，包括应力分类、极限设计法和安定状态。第2章介绍应力分类结果的线性化，主要介绍了等效线性化法，应力线性化方法，并给出了有限元应用实例。第3章弹塑性分析法，介绍了考虑材料应变强化效应的本构模型方法，ANSYS材料模型，载荷组合情况及弹塑性分析，ANSYS非线性分析等。第4章介绍压力容器的应力疲劳设计，包括疲劳曲线与方程式，平均应力对低循环疲劳的影响，结构对低循环疲劳的影响及疲劳设计规范。第5章介绍应变疲劳分析及循环计数法，主要内容有循环应力�灿Ρ淝�线，应变疲劳寿命估算，雨流循环计数法及应用实例。第6章简单介绍疲劳用统计学基础。第7章主要介绍疲劳的有限元评定方法，包括弹性应力分析的疲劳评定和弹塑性应力分析的疲劳评定。第8章实验应力分析，简单介绍了电测法、光弹性测量法，极限载荷实验和疲劳实验。本书可作为相关专业研究生的参考书，也可供从事压力容器研究、分析设计的技术人员参考。

1弹性应力分析方法

1.1压力容器中的应力分类

1.1.1应力分析设计法概述

1.1.2容器的应力分类

1.1.3压力容器典型零部件中的应力分布

1.2极限设计法和安定状态

1.2.1极限设计法

1.2.2安定状态——确定二次应力许用值的依据

1.3应力分析设计法对各类许用应力值的限制

1.3.1压力容器设计中对各类应力值的限制

1.3.2以应力分析为基础的设计方法的应用

2应力分类结果的线性化

2.1等效线性化方法概述

2.2应力分类线的选择

2.3应力线性化方法

2.3.1应力积分法

2.3.2以节点力为基础的结构应力法

2.3.3基于应力积分的结构应力法

2.4应力线性化有限元举例

3弹塑性分析

3.1材料本构模型

3.1.1实验法

3.1.2计算法

3.1.3ANSYS材料模型

3.2载荷情况

3.3总体塑性变形失效

3.4极限分析法求总体载荷

3.4.1极限分析理论基础

3.4.2极限分析有限元实例

3.5弹塑性分析求总体载荷

3.5.1防局部失效的一般方法

3.5.2应变极限损伤法

3.6ANSYS非线性分析介绍

3.6.1材料非线性

3.6.2几何非线性

3.6.3非线性求解过程

3.7弹塑性有限元分析实例

4压力容器的应力疲劳设计

4.1疲劳曲线与方程式

4.1.1高循环疲劳曲线

4.1.2低循环疲劳曲线

4.1.3低循环疲劳曲线方程式

4.2平均应力对低循环疲劳的影响

4.2.1平均应力的真实值与“虚拟应力”大小的关系

4.2.2考虑平均应力影响后的疲劳寿命计算

4.2.3低循环疲劳曲线的修正

4.3结构对低循环疲劳的影响

4.3.1接管连接及焊缝型式的影响

4.3.2接管方位和几何参数的影响

4.4应力集中对疲劳寿命的影响

4.4.1理论应力集中系数

4.4.2疲劳缺口系数

4.4.3缺口S—N曲线的近似估计

4.5疲劳累积损伤

4.6疲劳设计规范

4.6.1我国以疲劳分析为基础的设计方法

4.6.2日本HPIS—C—103《超高压圆筒容器设计指针》

5应变疲劳分析及循环计数法

5.1材料的记忆特性

5.2循环应力—应变曲线、滞后环曲线

5.2.1滞后环

5.2.2循环应力—应变曲线

5.2.3滞后环曲线

5.3变幅循环下的应力—应变响应

5.4应变疲劳寿命估算

5.4.1应变—寿命曲线

5.4.2ε—N曲线的计算公式

5.4.3应变寿命计算

5.5缺口的应变分析及寿命估算

5.5.1求取局部应力σ、应变ε

5.5.2循环载荷作用下缺口疲劳寿命估计

5.5.3缺口疲劳寿命估算实例

5.6循环计数法

5.6.1雨流循环计数法基本原理

5.6.2雨流循环计数过程分析

5.6.3简化雨流循环计数法计算规则

5.7雨流循环计数法应用实例

5.7.1高温高压换热器管板泄漏分析中疲劳载荷谱的编制

5.7.2随机形式的合成塔疲劳载荷谱

6疲劳用统计学基础

6.1常用概率分布函数

6.1.1正态分布函数

6.1.2标准正态分布

6.1.3对数正态分布

6.1.4威布尔分布

6.2概率纸估计概率分布形式

6.2.1正态分布概率纸

6.2.2威布尔分布概率纸

6.3常用概率函数的参数估计

6.3.1子样统计量参数

6.3.2正态分布与对数正态分布的参数估计

6.3.3威布尔分布的参数估计

6.4概率分布拟合实例

6.4.1应力幅值的威布尔分布拟合

6.4.2最小二乘法回归分析

7疲劳有限元评定

7.1疲劳筛分方法A

7.2疲劳筛分方法B

7.3弹性应力分析的疲劳评定

7.3.1弹性应力分析疲劳评定概述

7.3.2弹性应力分析疲劳评定过程

7.3.3疲劳损失系数Ke，k的计算

7.4弹塑性应力分析的疲劳评定

7.4.1弹塑性应力分析疲劳评定概述

7.4.2弹塑性应力分析疲劳评定过程

7.5焊缝的疲劳评定

7.5.1焊缝疲劳评定概述

7.5.2焊缝疲劳评定过程

7.5.3焊缝疲劳评定的修正

7.6疲劳曲线说明

7.7棘轮现象评定

7.7.1棘轮现象的弹性分析方法

7.7.2简化的弹—塑性分析

7.7.3温差应力棘轮现象的评定

7.7.4非整体连接件的防棘轮现象

7.7.5棘轮现象的弹塑性应力分析

8实验应力分析

8.1电测法

8.1.1电测法原理

8.1.2布点方案

8.1.3电测法应注意的事项

8.2光弹性测量法

8.2.1平面应力—光学定律

8.2.2求解边界应力

8.2.3求解内部应力

8.3极限载荷实验

8.3.1极限载荷实验注意事项

8.3.2确定极限载荷步骤

8.4疲劳实验

8.4.1循环次数及载荷确定

8.4.2加速疲劳试验

8.4.3仅增加载荷或循环次数情况

8.4.4Ks、Kn值的确定

8.4.5实验确定疲劳强度减弱系数

8.4.6疲劳实验实例

8.4.7本章符号说明

参考文献2100433B

本书可供压力容器设计、检验和使用环节的工程技术人员参考，也可供大专院校过程装备专业、锅炉专业和压力容器相关专业的师生参考，对压力容器标准规范的理论研究也有参考价值。

本书ANSYS分析部分，以在用的热壁加氢反应器和高压空气储罐为例完整地介绍压力应力分析、热分析、热应力分析、耦合分析和疲劳分析全过程，其中包括压力容器分析设计人员关注的问题：按ASME-Ⅷ-2的应力分类识别和提取ANSYS生成的结果进行应力叠加法和耦合法的应力强度评定。作者给出ANSYS分析的点滴技巧和经验，详见第6、7、8章。

本书强度计算部分，详见第1、2、3、4、5、9章。强度计算部分给出的计算规范超出ASME-Ⅷ-1和GB150的应用范围：如第1章稳定计算的现代方法，不考虑椭圆形封头加工减薄量的规定，α1>70°锥形封头壁厚的计算等；第3章圆筒或锥壳的开孔率可达1.0的大开孔补强计算；第4章低循环疲劳强度计算规范比ASME-Ⅷ-2的功能强大；第5章有色金属容器的计算疲劳曲线和相应规定更是难得的所需设计规范；第9章的规范可填补我国便于手算求解接管与壳体相贯处应力计算规范的空白；第2章塔式设备的强度计算是俄罗斯的新标准。书中作者还给出多个例题说明标准的使用。采用上述规范的有关公式，使用GB150的钢号和许用应力，计算结果偏于保守，且解决了GB150目前不能提供的相应规范和方法问题。