有限元法基本原理及應(yīng)力分類實(shí)施-鄭津洋

1、2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 有限元法基本原理及有限元法基本原理及 應(yīng)力分類實(shí)施應(yīng)力分類實(shí)施鄭津洋鄭津洋2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所目目 錄錄1 1、有限元基本原理和分析方法、有限元基本原理和分析方法2 2、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法3 3、壓力容器分析設(shè)計(jì)實(shí)例、壓力容器分析設(shè)計(jì)實(shí)例 2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-

2、21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所應(yīng)力分析的三種方法應(yīng)力分析的三種方法o 解析法解析法 精確、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制訂基礎(chǔ)，只有典型解例精確、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制訂基礎(chǔ)，只有典型解例o 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析法實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析法 真實(shí)、效率低、費(fèi)用高真實(shí)、效率低、費(fèi)用高o 數(shù)值分析法數(shù)值分析法 有限單元法、邊界元法等，有限單元法、邊界元法等，靈活、高效、經(jīng)濟(jì)；直靈活、高效、經(jīng)濟(jì)；直觀、易學(xué)、效率高觀、易學(xué)、效率高 最佳組合最佳組合o 解析解解析解+ +規(guī)范規(guī)范 初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)o 數(shù)值分析數(shù)值分析+ +模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn) 優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)o 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析 最終驗(yàn)證最終驗(yàn)證1.1. 有限元基本原理和分析方法有限元基本原

3、理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 1.1. 有限元有限元基本原理表述如下基本原理表述如下 結(jié)構(gòu)離散化結(jié)構(gòu)離散化 選擇單元位移模式選擇單元位移模式 形成單元?jiǎng)偠染仃囆纬蓡卧獎(jiǎng)偠染仃?組合形成整體剛度矩陣組合形成整體剛度矩陣 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 求解節(jié)點(diǎn)位移求解節(jié)點(diǎn)位移1.1. 有限元基本原理和分析方法有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所（a）結(jié)構(gòu)離散化：將連續(xù)體

4、離散成有限單元結(jié)構(gòu)離散化：將連續(xù)體離散成有限單元厚壁圓筒及其有限元模型厚壁圓筒及其有限元模型節(jié)點(diǎn)相互連接，位移相同節(jié)點(diǎn)相互連接，位移相同1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所（b）選擇單元位移模式（形函數(shù)）選擇單元位移模式（形函數(shù)） 定義：定義： 以節(jié)點(diǎn)位移值來計(jì)算單元內(nèi)所有點(diǎn)處位移值的以節(jié)點(diǎn)位移值來計(jì)算單元內(nèi)所有點(diǎn)處位移值的 插值函數(shù)插值函數(shù)。對(duì)于平面三角形單元，形函數(shù)可表對(duì)于平面三角形單元，形函數(shù)可表 述為述為:l 不同單元有不同位移模式。不同單元有不同位移模式。l 分

5、片函數(shù)聯(lián)系起來，逼近真實(shí)解。分片函數(shù)聯(lián)系起來，逼近真實(shí)解。l 線性單元中應(yīng)力均勻分布，二次單元中線性單元中應(yīng)力均勻分布，二次單元中應(yīng)力應(yīng)力線性分布。線性分布。 012345( , )( , )u x yaa xa yv x yaa xa y1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所注：注：1. 1. 位移模式必須包含單元的剛體位移位移模式必須包含單元的剛體位移（如系數(shù)（如系數(shù) a0 0和和a3 3）。）。 2. 2. 位移模式必須包含常應(yīng)變項(xiàng)位移模式必須包含常應(yīng)變項(xiàng)（如系數(shù)（如

6、系數(shù)a1 1、a2 2、 a4 4和和a5 5。 3. 3. 單元之間單元之間只有位移是連續(xù)的只有位移是連續(xù)的，而，而應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力和應(yīng)變 不連續(xù)不連續(xù)。 滿足滿足1 1和和2 2的單元稱為的單元稱為完備單元完備單元，滿足，滿足3 3的單元稱為的單元稱為 協(xié)調(diào)單元協(xié)調(diào)單元。1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所（c）形成單元?jiǎng)偠染仃囆纬蓡卧獎(jiǎng)偠染仃?運(yùn)用運(yùn)用最小勢(shì)能原理最小勢(shì)能原理、變分原理變分原理、幾何方程幾何方程和和物理方物理方 程程建立起建立起單元?jiǎng)偠染仃噯卧獎(jiǎng)偠染仃?/p>

7、，獲得單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位，獲得單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位 移之間的關(guān)系。移之間的關(guān)系。1IIddds2TTVSDVf VTTVuuII0a高斯積分高斯積分KaP最小勢(shì)最小勢(shì)能原理能原理變分變分1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 注：注：1. 1. 單元?jiǎng)偠染仃囍慌c單元?jiǎng)偠染仃囍慌c幾何尺寸和材料屬性幾何尺寸和材料屬性有關(guān)。有關(guān)。 2. 2. 單元?jiǎng)偠染仃噯卧獎(jiǎng)偠染仃嚺c單元位置無關(guān)與單元位置無關(guān)，不隨單元平，不隨單元平 移改變。移改變。（d）組合形成整體剛度矩陣組合形成整體剛度矩陣

8、 按照每個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)在整體結(jié)構(gòu)中的按照每個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)在整體結(jié)構(gòu)中的編號(hào)情況編號(hào)情況，由單元?jiǎng)偠确匠探M合成整體剛度方程組，其具有由單元?jiǎng)偠确匠探M合成整體剛度方程組，其具有稀疏稀疏性性、帶狀性帶狀性、對(duì)稱性對(duì)稱性和和奇異性奇異性等特點(diǎn)。等特點(diǎn)。1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所（e）計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 通過通過單元形函數(shù)單元形函數(shù)將將表面力表面力、體積力體積力和和集中力集中力等效到等效到節(jié)點(diǎn)上。節(jié)點(diǎn)上。（f f）求解未知節(jié)點(diǎn)位移求解未知節(jié)點(diǎn)位移Ma+Ca+Ka=P

9、M整體質(zhì)量矩陣；整體質(zhì)量矩陣；C整體阻尼矩陣；整體阻尼矩陣；K整體剛度矩陣；整體剛度矩陣； a整體節(jié)點(diǎn)位移向量；整體節(jié)點(diǎn)位移向量；P整體節(jié)點(diǎn)荷載向量。整體節(jié)點(diǎn)荷載向量。 整體剛度整體剛度方程方程1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析

10、設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所3 Rt3 Rt1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 軸對(duì)稱軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱要利用對(duì)稱性，三種因素須對(duì)稱：要利用對(duì)稱性，三種因素須對(duì)稱：幾何形狀幾何形狀、材料屬性材料屬性和和荷載工況荷載工況。1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力

11、容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所平面或鏡面對(duì)稱平面或鏡面對(duì)稱重復(fù)或平移對(duì)稱重復(fù)或平移對(duì)稱1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所下面是壓力容器建模實(shí)例：下面是壓力容器建模實(shí)例：1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員

12、資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所l 盡量通過拖拉、旋轉(zhuǎn)和偏移等方法由面網(wǎng)格形成體盡量通過拖拉、旋轉(zhuǎn)和偏移等方法由面網(wǎng)格形成體 網(wǎng)格。網(wǎng)格。1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所四邊形元過渡四邊形元過渡三角元過渡（正確）三角元過渡（正確）變節(jié)點(diǎn)元過渡變節(jié)點(diǎn)元過渡( (錯(cuò)誤錯(cuò)誤) )1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無

13、錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 三種網(wǎng)格：（三種網(wǎng)格：（a a）最稀疏，）最稀疏，（b b）次之，（）次之，（c c）最密集。）最密集。1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所問題：?jiǎn)卧獌?nèi)鈍角太大、銳角太小為什么不利于獲得問題：?jiǎn)卧獌?nèi)鈍角太大、銳角太小為什么不利于獲得 真實(shí)的結(jié)果？真實(shí)的結(jié)果？ 根據(jù)斷裂力學(xué)理論，對(duì)于單

14、一材料，距離奇異節(jié)點(diǎn)根據(jù)斷裂力學(xué)理論，對(duì)于單一材料，距離奇異節(jié)點(diǎn)位置位置r r處的應(yīng)力和應(yīng)變有下面關(guān)系處的應(yīng)力和應(yīng)變有下面關(guān)系: :因此，當(dāng)三角形單元邊接近于一條直線時(shí)，在節(jié)點(diǎn)上因此，當(dāng)三角形單元邊接近于一條直線時(shí)，在節(jié)點(diǎn)上計(jì)算出來的應(yīng)力將是無窮大。計(jì)算出來的應(yīng)力將是無窮大。1/2() r或裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)具有奇異性裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)具有奇異性1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所錯(cuò)誤網(wǎng)格：錯(cuò)誤網(wǎng)格：（a a）節(jié)點(diǎn)交叉編號(hào)，（）節(jié)點(diǎn)交叉編號(hào)，（b b）單元內(nèi)角）單元內(nèi)角大于大于1

15、80180，（，（c c）單元的兩對(duì)節(jié)點(diǎn)重合，網(wǎng)格面）單元的兩對(duì)節(jié)點(diǎn)重合，網(wǎng)格面積為零。積為零。1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所錯(cuò)誤網(wǎng)格：錯(cuò)誤網(wǎng)格：（a a）中節(jié)點(diǎn)）中節(jié)點(diǎn)1 1僅屬于一個(gè)單元，變形后僅屬于一個(gè)單元，變形后會(huì)產(chǎn)生裂縫或重疊，（會(huì)產(chǎn)生裂縫或重疊，（b b）中平面單元和梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)）中平面單元和梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)自由度不同，粱單元力矩?zé)o法傳遞到平面單元。自由度不同，粱單元力矩?zé)o法傳遞到平面單元。1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿

16、年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所注：注：兩個(gè)單元共享的節(jié)點(diǎn)，其應(yīng)力值是取兩個(gè)單兩個(gè)單元共享的節(jié)點(diǎn)，其應(yīng)力值是取兩個(gè)單 元在同一位置處應(yīng)力的平均值。元在同一位置處應(yīng)力的平均值。單元單元1 1單元單元2 2 avgavg = = 11001100 = = 12001200 = = 10001000 = = 1100 1100 = = 1300 1300 avgavg = = 120012001. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械

17、研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所下圖是運(yùn)用下圖是運(yùn)用層合板單元（層合板單元（SHELLSHELL單元）和實(shí)體單元單元）和實(shí)體單元建立建立30300

18、 0碳碳纖維纖維/ /環(huán)氧復(fù)合材料鋁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化模型環(huán)氧復(fù)合材料鋁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化模型，其中纖維纏繞，其中纖維纏繞層層2424層。層。1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)

19、化工機(jī)械研究所1. 有限元基本原理和分析方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 常規(guī)設(shè)計(jì)常規(guī)設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)GB150GB150標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)JB4732JB4732標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力0.10.135 MPa35 MPa0.10.1100 MPa100 MPa設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度按鋼材允許的使用溫度按鋼材允許的使用溫度低于以鋼材蠕變控制其設(shè)低于以鋼材蠕變控制其設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的相應(yīng)溫度計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的相應(yīng)溫度載荷載荷一次加載（靜載荷）一次加載（靜載荷）靜載荷、交變載荷靜載荷、交變載荷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

20、彈性失效，只允許彈性失效，只允許彈性變形彈性變形塑性失效或彈塑性失效，塑性失效或彈塑性失效，允許出現(xiàn)局部可控的變形允許出現(xiàn)局部可控的變形分析方法分析方法材料力學(xué)方法、薄膜理論、材料力學(xué)方法、薄膜理論、簡(jiǎn)化公式加經(jīng)驗(yàn)系數(shù)簡(jiǎn)化公式加經(jīng)驗(yàn)系數(shù)彈性或塑性力學(xué)方法彈性或塑性力學(xué)方法（理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方（理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法）、板殼理論法）、板殼理論二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2.1. 分析分析設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)的區(qū)別設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)的區(qū)別2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 常規(guī)設(shè)計(jì)常規(guī)設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)應(yīng)力評(píng)定應(yīng)力評(píng)

21、定應(yīng)力不分類，統(tǒng)一應(yīng)力不分類，統(tǒng)一的許用應(yīng)力，用第的許用應(yīng)力，用第一強(qiáng)度理論，安全一強(qiáng)度理論，安全系數(shù)較大系數(shù)較大應(yīng)力分類，用應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力分類，用應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)各類應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，用第各類應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，用第三強(qiáng)度理論，安全系數(shù)三強(qiáng)度理論，安全系數(shù)較小較小材料要求材料要求一般要求一般要求優(yōu)質(zhì)、延性好、性能穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)、延性好、性能穩(wěn)定制造、檢驗(yàn)制造、檢驗(yàn)要求要求一般要求一般要求整體性、連續(xù)性、相貫處整體性、連續(xù)性、相貫處光滑過渡、全熔透、光滑過渡、全熔透、100%100%無損檢測(cè)無損檢測(cè)是否適合于結(jié)構(gòu)應(yīng)是否適合于結(jié)構(gòu)應(yīng)力不連續(xù)情況力不連續(xù)情況否否是是是否適合于安定性是否適合于安定性分析和疲勞分析分析和疲

22、勞分析否否是是二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所分析設(shè)計(jì)：分析設(shè)計(jì)：計(jì)及各種可能的計(jì)及各種可能的失效模式，并在結(jié)構(gòu)、剛失效模式，并在結(jié)構(gòu)、剛（強(qiáng)）度計(jì)算、選材、制造檢驗(yàn)（強(qiáng)）度計(jì)算、選材、制造檢驗(yàn)等各個(gè)方面綜合考察等各個(gè)方面綜合考察并提供合理的安全裕量（等安全裕度原則），以防止并提供合理的安全裕量（等安全裕度原則），以防止相關(guān)類型失效。相關(guān)類型失效。應(yīng)力分類設(shè)計(jì)法應(yīng)力分類設(shè)計(jì)法對(duì)各種應(yīng)力對(duì)可能的失效模式所起的對(duì)各種應(yīng)力對(duì)可能的失效模式所起的不同作用予以不同作用予以分類分類，再

23、采用，再采用不同的強(qiáng)度條件不同的強(qiáng)度條件加以限制，加以限制，使得設(shè)計(jì)安全合理。使得設(shè)計(jì)安全合理。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2.2. 分析分析設(shè)計(jì)概念與特點(diǎn)設(shè)計(jì)概念與特點(diǎn)2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所分析設(shè)計(jì)首部標(biāo)準(zhǔn)：分析設(shè)計(jì)首部標(biāo)準(zhǔn)：ASME“ASME“鍋爐壓力容器規(guī)范鍋爐壓力容器規(guī)范”第第VIII VIII 篇第篇第2 2分篇（簡(jiǎn)稱分篇（簡(jiǎn)稱ASME VIII-2ASME VIII-2）。）。分析設(shè)計(jì)的應(yīng)用：分析設(shè)計(jì)的應(yīng)用：（a a）超出常規(guī)設(shè)計(jì)適用范圍外的壓力容器設(shè)計(jì)超出常規(guī)設(shè)計(jì)適用范圍外的壓

24、力容器設(shè)計(jì) 如機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力并存、交變載荷下疲勞設(shè)計(jì)如機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力并存、交變載荷下疲勞設(shè)計(jì)（b b）常規(guī)設(shè)計(jì)的一種替代方法常規(guī)設(shè)計(jì)的一種替代方法 節(jié)省材料節(jié)省材料（c c）超出常規(guī)設(shè)計(jì)制造允差的壓力容器安全性分析超出常規(guī)設(shè)計(jì)制造允差的壓力容器安全性分析（d)d) 涉及環(huán)境作用時(shí)的壓力容器設(shè)計(jì)涉及環(huán)境作用時(shí)的壓力容器設(shè)計(jì) 二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所20072007版版ASME VIII-2ASME VIII-2、歐盟歐盟EN 13445-3:2002EN 1344

25、5-3:2002和和ISO/CD ISO/CD 1652816528容器標(biāo)準(zhǔn)，提出很多新概念、觀點(diǎn)和方法，如：容器標(biāo)準(zhǔn)，提出很多新概念、觀點(diǎn)和方法，如：（a a）降低材料設(shè)計(jì)系數(shù)降低材料設(shè)計(jì)系數(shù) 將相對(duì)于抗拉強(qiáng)度的將相對(duì)于抗拉強(qiáng)度的材料設(shè)計(jì)系數(shù)材料設(shè)計(jì)系數(shù)降低到降低到2.42.4。（b b）失效模式分類失效模式分類 將壓力容器失效分為將壓力容器失效分為短期短期、長(zhǎng)期長(zhǎng)期和和循環(huán)循環(huán)三種。三種。 （c c）基于失效的直接法基于失效的直接法 考慮到總體塑性失穩(wěn)、局部塑性失效、屈曲和疲勞考慮到總體塑性失穩(wěn)、局部塑性失效、屈曲和疲勞 等失效模式。引入綜合考慮幾何非線性和材料非線等失效模式。引入綜合考慮

26、幾何非線性和材料非線 性的性的彈塑性應(yīng)力分析法彈塑性應(yīng)力分析法。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所由變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生，如由變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生，如 封頭與筒體連接處；封頭與筒體連接處； （c c）軸向和徑向溫差引軸向和徑向溫差引 起熱膨脹差，變形不協(xié)調(diào)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；起熱膨脹差，變形不協(xié)調(diào)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；如風(fēng)載荷、地震載荷。如風(fēng)載荷、地震載荷。幾何不連續(xù)幾何不連續(xù)載荷不連續(xù)載荷不連續(xù)材料不連續(xù)材料不連續(xù)二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2.3. 壓力容器的載荷和可能的失效模式壓力容器的載荷和可能的

27、失效模式 2.3.1. 容器中的載荷與應(yīng)力容器中的載荷與應(yīng)力2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 結(jié)構(gòu)不連續(xù)概念結(jié)構(gòu)不連續(xù)概念 發(fā)生發(fā)生 范圍范圍對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形影響和變形影響 典型實(shí)例典型實(shí)例整體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)不連續(xù)不連續(xù)較大較大顯著影響顯著影響封頭、法蘭、支座等封頭、法蘭、支座等與殼體的連接處以及與殼體的連接處以及不等厚殼體的連接處不等厚殼體的連接處局部結(jié)構(gòu)局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)不連續(xù)很小很小無顯著影響無顯著影響 小圓角過渡、殼體與小圓角過渡、殼體與小附件連接處小附件連接處二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法

28、2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所2.3.2. 壓力容器的失效模式壓力容器的失效模式 壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時(shí)間內(nèi)，因尺寸、形壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時(shí)間內(nèi)，因尺寸、形狀或者材料性能劣化而危及安全或者喪失正常功能的現(xiàn)狀或者材料性能劣化而危及安全或者喪失正常功能的現(xiàn)象，稱為壓力容器失效。象，稱為壓力容器失效。 壓力容器失效大致可分為壓力容器失效大致可分為強(qiáng)度失效、剛度失效、失強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏失效穩(wěn)失效和泄漏失效。 不同標(biāo)準(zhǔn)所考慮的失效模式并不相同。不同標(biāo)準(zhǔn)所考慮的失效模式并不相

29、同。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 2.3.2. 壓力容器壓力容器的失效模式的失效模式20072007版版ASME VIII-2ASME VIII-2：分為塑性失穩(wěn)、局部失效、屈曲和分為塑性失穩(wěn)、局部失效、屈曲和 循環(huán)加載疲勞等。循環(huán)加載疲勞等。歐盟歐盟EN 13445-3:2002EN 13445-3:2002：分為分為短期的、長(zhǎng)期的和循環(huán)失短期的、長(zhǎng)期的和循環(huán)失 效效，其中短期和長(zhǎng)期的還分為，其中短期和長(zhǎng)期的還分為一次施加的一次施加的 和和多次施加的多次施加的。具體分

30、為總體性塑性失效、。具體分為總體性塑性失效、 漸增性塑性失效、失穩(wěn)和疲勞失效等；漸增性塑性失效、失穩(wěn)和疲勞失效等；ISO/CD16528ISO/CD16528：分為分為短期短期、長(zhǎng)期長(zhǎng)期和和循環(huán)失效循環(huán)失效。具體分為脆。具體分為脆 性斷裂、韌性斷裂、彈性或塑性失穩(wěn)和蠕性斷裂、韌性斷裂、彈性或塑性失穩(wěn)和蠕 變失效。變失效。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所eLyUyb二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-

31、10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 (a) (a) 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為非線性非線性； (b) (b) 應(yīng)力與應(yīng)變不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)力與應(yīng)變不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系， 與與加載歷史有關(guān)加載歷史有關(guān); ; (c) (c) 彈性區(qū)：彈性區(qū)：加卸載服從加卸載服從彈性虎克定律彈性虎克定律； 塑性區(qū)：塑性區(qū)：加載服從加載服從塑性規(guī)律塑性規(guī)律， 卸載服從卸載服從彈性虎克定律彈性虎克定律。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2.4.1. 塑性力學(xué)基本特點(diǎn)：塑性力學(xué)基本特點(diǎn)：2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所

32、2.4.2. 解決塑性解決塑性問題的兩種基本途徑問題的兩種基本途徑（b b）不研究整個(gè)變形過程、加載歷史，只關(guān)）不研究整個(gè)變形過程、加載歷史，只關(guān) 心極限狀態(tài)下的承載能力心極限狀態(tài)下的承載能力極限載荷極限載荷。全量理論全量理論和和增量理論增量理論（a a）嚴(yán)格按照）嚴(yán)格按照彈塑性加卸載規(guī)律彈塑性加卸載規(guī)律研究彈塑研究彈塑 性變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。性變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 2.5.1. 彈性彈性應(yīng)力分析準(zhǔn)則應(yīng)力分析準(zhǔn)則：首先對(duì)結(jié)構(gòu)：首先對(duì)結(jié)構(gòu) 進(jìn)行彈性應(yīng)力

33、分析，然后對(duì)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，然后對(duì)應(yīng)力結(jié)果 進(jìn)行分類，并運(yùn)用塑性失效準(zhǔn)則校核。進(jìn)行分類，并運(yùn)用塑性失效準(zhǔn)則校核。 如對(duì)于如對(duì)于理想塑性材料理想塑性材料，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性 后，由于塑性變形無法確定，引入后，由于塑性變形無法確定，引入 彈性名義應(yīng)力彈性名義應(yīng)力或或虛擬應(yīng)力虛擬應(yīng)力彈性名義應(yīng)力彈性模量彈性名義應(yīng)力彈性模量彈塑性總應(yīng)變彈塑性總應(yīng)變2.5. 分析設(shè)計(jì)的基本方法（三種）分析設(shè)計(jì)的基本方法（三種）二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所塑性理論塑性理論一次加載

34、一次加載( (彈性失效彈性失效準(zhǔn)則準(zhǔn)則) )反復(fù)加載、反復(fù)加載、卸載卸載( (彈塑性彈塑性失效準(zhǔn)則失效準(zhǔn)則) )當(dāng)外載荷小于當(dāng)外載荷小于極限載荷，塑性極限載荷，塑性變形可控變形可控當(dāng)外載荷大當(dāng)外載荷大于極限載荷，塑于極限載荷，塑性變形不可控，性變形不可控，容器破壞容器破壞 當(dāng)外載荷小于當(dāng)外載荷小于安定載荷，安定載荷，結(jié)構(gòu)安定結(jié)構(gòu)安定當(dāng)外載荷大于當(dāng)外載荷大于安定載荷，塑性安定載荷，塑性變形累積，容器變形累積，容器破壞破壞二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法采用彈性名義應(yīng)力法在塑性力學(xué)中的應(yīng)用采用彈性名義應(yīng)力法在塑性力學(xué)中的應(yīng)用2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 20

35、07-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所2.5.2. 極限載荷極限載荷分析準(zhǔn)則：分析準(zhǔn)則：直接求極限載荷與安定載荷，直接求極限載荷與安定載荷， 根據(jù)：根據(jù)：彈性力學(xué)和塑性力學(xué)具有相同的彈性力學(xué)和塑性力學(xué)具有相同的平衡方程平衡方程、 協(xié)調(diào)方程協(xié)調(diào)方程和和虎克定律虎克定律，僅，僅本構(gòu)關(guān)系本構(gòu)關(guān)系不同。不同。運(yùn)用塑性失效準(zhǔn)則來運(yùn)用塑性失效準(zhǔn)則來評(píng)定彈性應(yīng)力結(jié)果評(píng)定彈性應(yīng)力結(jié)果分析設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所ASME VIII-2:ASME

36、VIII-2:“若給定的載荷不超過極限載荷下限的若給定的載荷不超過極限載荷下限的2/3，則不需要滿，則不需要滿足局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限和一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力足局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限和一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限”。（a a）可以用極限載荷取）可以用極限載荷取安全系數(shù)安全系數(shù)1.5來來代替一次應(yīng)力強(qiáng)代替一次應(yīng)力強(qiáng) 度的兩項(xiàng)評(píng)定準(zhǔn)則；（度的兩項(xiàng)評(píng)定準(zhǔn)則；（b b）極限載荷法回避了區(qū)分一次）極限載荷法回避了區(qū)分一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的問題。應(yīng)力與二次應(yīng)力的問題。推論推論二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無

37、錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 極限載荷分析的特點(diǎn)：極限載荷分析的特點(diǎn)： (a) (a) 采用采用理想剛塑性或者理想彈塑性理想剛塑性或者理想彈塑性模型；模型； (b) (b) 小變形小變形，變形前后使用同一方程，幾何方程是，變形前后使用同一方程，幾何方程是 線性的；線性的； (c)(c) 所有載荷按所有載荷按同一比例加載同一比例加載； (d) (d) 結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)具有足夠剛度足夠剛度，達(dá)到極限載荷前，達(dá)到極限載荷前不失穩(wěn)不失穩(wěn)； (e) (e) 加載速度緩慢加載速度緩慢，不考慮慣性力。，不考慮慣性力。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講

38、稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 極限載荷特點(diǎn)：極限載荷特點(diǎn)： (a) (a) 自平衡力系自平衡力系（初始?xì)堄鄳?yīng)力、焊接應(yīng)力）對(duì)極限（初始?xì)堄鄳?yīng)力、焊接應(yīng)力）對(duì)極限 載荷無影響；載荷無影響； (b) (b) 與加載歷史無關(guān)與加載歷史無關(guān)，只考慮跨塌前的平衡條件，取，只考慮跨塌前的平衡條件，取 決于最后一次加載；決于最后一次加載； (c)(c) 直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，或至少導(dǎo)致大量塑性變形；直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，或至少導(dǎo)致大量塑性變形； (d) (d) 若材料屈服極限提高若材料屈服極限提高K倍，則極限載荷亦提高倍，則極限載荷亦提高K倍。倍。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容

39、器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所確定極限載荷確定極限載荷的方法的方法解析方法解析方法數(shù)值法數(shù)值法（如有限元法）（如有限元法）上限定理（滿足平衡上限定理（滿足平衡條件和力邊界條件）條件和力邊界條件）下限定理下限定理（滿足幾何約束條件（滿足幾何約束條件）確定加載位移確定加載位移曲線曲線兩倍彈性斜率法兩倍彈性斜率法雙切線法雙切線法二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所P兩倍彈性斜率法兩倍彈性斜率法（直線直

40、線OB）：）：ASME VIII-2ASME VIII-2采用，獲得采用，獲得的極限載荷為的極限載荷為 。雙切線法雙切線法（直線直線OA和和AB）：）：EN 13445-3EN 13445-3采用，獲得的采用，獲得的極限載荷為極限載荷為 。 兩倍彈性斜率法和雙切線法兩倍彈性斜率法和雙切線法TP二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所安定性概念安定性概念結(jié)構(gòu)在載荷、溫度交變過程中，僅在初始幾個(gè)載結(jié)構(gòu)在載荷、溫度交變過程中，僅在初始幾個(gè)載荷循環(huán)中產(chǎn)生一定量的塑性變形，在以后的循環(huán)荷循環(huán)

41、中產(chǎn)生一定量的塑性變形，在以后的循環(huán)載荷作用下不再發(fā)生新的塑性變形，就不會(huì)發(fā)生載荷作用下不再發(fā)生新的塑性變形，就不會(huì)發(fā)生塑性疲勞，結(jié)構(gòu)處于塑性疲勞，結(jié)構(gòu)處于安定狀態(tài)安定狀態(tài)。定義：定義：金屬材料在交變載荷作用下引起的交替塑性變形金屬材料在交變載荷作用下引起的交替塑性變形是導(dǎo)致裂紋形成的能量來源。塑性變形的積累實(shí)是導(dǎo)致裂紋形成的能量來源。塑性變形的積累實(shí)際上是塑性變形能的積累。際上是塑性變形能的積累。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所一維安定性原理：一維安定性原理：（a a）結(jié)

42、構(gòu)）結(jié)構(gòu)處于處于安定狀態(tài)；安定狀態(tài)； （b b）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)失去失去安定狀態(tài)。安定狀態(tài)。單向應(yīng)力狀態(tài)單向應(yīng)力狀態(tài)下保持下保持安定性安定性的條件：的條件：彈性彈性名義應(yīng)力小于等于兩名義應(yīng)力小于等于兩倍屈服強(qiáng)度倍屈服強(qiáng)度。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 安定載荷特點(diǎn)：安定載荷特點(diǎn)： (a) (a) 失去安定只是累積損傷開始，而不直接導(dǎo)致破壞；失去安定只是累積損傷開始，而不直接導(dǎo)致破壞； (b) (b) 與加載組合形式、加載歷史有關(guān)；與加載組合形式、加載歷史有關(guān)； (c)(c)

43、通常防疲勞和防棘輪的安定載荷不同，實(shí)際為兩通常防疲勞和防棘輪的安定載荷不同，實(shí)際為兩 者較小值；者較小值； (d) (d) 超過安定載荷后結(jié)構(gòu)并不立即破壞，容器設(shè)計(jì)可不超過安定載荷后結(jié)構(gòu)并不立即破壞，容器設(shè)計(jì)可不 留安全裕度，允許結(jié)構(gòu)最大載荷小于等于安定載留安全裕度，允許結(jié)構(gòu)最大載荷小于等于安定載荷荷。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所2.5.3. 彈塑性彈塑性應(yīng)力分析準(zhǔn)則應(yīng)力分析準(zhǔn)則 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :極限載荷分析方法極限載荷分析方法求得的極限載荷的求得的極限載荷的物理意義不物

44、理意義不明確，結(jié)果不唯一明確，結(jié)果不唯一。通過。通過彈塑性分析彈塑性分析方法計(jì)算塑性失穩(wěn)方法計(jì)算塑性失穩(wěn)載荷，載荷，考慮了幾何非線性和材料非線性考慮了幾何非線性和材料非線性, , 物理意義明確物理意義明確。 作完全彈塑性應(yīng)力分析存在的困難作完全彈塑性應(yīng)力分析存在的困難：有限元分析中，有限元分析中，目前較好的計(jì)算目前較好的計(jì)算塑性失穩(wěn)載荷（引起結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的載荷，塑性失穩(wěn)載荷（引起結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的載荷，外載荷微小增加不能獲得收斂解）外載荷微小增加不能獲得收斂解）的方法是的方法是弧長(zhǎng)算法弧長(zhǎng)算法，但，但其其計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，效率較低計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，效率較低。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資

45、格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法 2007 2007版版ASME VIII-2ASME VIII-2提出一種新的分析方法：若在可能的提出一種新的分析方法：若在可能的載荷組合工況載荷組合工況下，包含幾何非線性和材料非線性的下，包含幾何非線性和材料非線性的彈塑性有彈塑性有限元計(jì)算能收斂限元計(jì)算能收斂，則認(rèn)為容器不會(huì)發(fā)生，則認(rèn)為容器不會(huì)發(fā)生塑性失穩(wěn)塑性失穩(wěn)： PPDPPD總則：載，數(shù)則：載，數(shù)s ss s體體準(zhǔn)準(zhǔn) 荷 荷2. 4( +) 2. 4- 安2. 4( +) 2. 4- 安全全系系局局部部準(zhǔn)準(zhǔn) 荷 荷

46、1. 7( +) 1. 7安1. 7( +) 1. 7安全全系系注：注：載荷組合工況載荷組合工況包括內(nèi)壓包括內(nèi)壓P P、靜壓力、靜壓力P Ps s、附件死載荷、附件死載荷D D、 附件活載荷、壓力試驗(yàn)載荷、地震載荷、風(fēng)載荷和附件活載荷、壓力試驗(yàn)載荷、地震載荷、風(fēng)載荷和自限性載荷（如熱載荷）等。自限性載荷（如熱載荷）等。 載荷組載荷組合工況合工況2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法 對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于彈塑性應(yīng)力分析彈塑性應(yīng)力分析，20072007版版ASME VIII-2ASME VI

47、II-2對(duì)于對(duì)于極限載荷分析極限載荷分析亦有類似的方法描述。亦有類似的方法描述?？偨Y(jié)總結(jié)：在指定在指定載荷組合工況下載荷組合工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，對(duì)于的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，對(duì)于極限極限 載荷分析載荷分析，避開了求極限載荷；對(duì)于，避開了求極限載荷；對(duì)于彈塑性應(yīng)力彈塑性應(yīng)力 分析分析，避開了求塑性失穩(wěn)載荷要求的復(fù)雜有限元計(jì)，避開了求塑性失穩(wěn)載荷要求的復(fù)雜有限元計(jì) 算，是算，是一種簡(jiǎn)捷、實(shí)用的強(qiáng)度分析方法一種簡(jiǎn)捷、實(shí)用的強(qiáng)度分析方法。2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所2.6. 2.6. 容器接受準(zhǔn)則和極限狀態(tài)（

48、兩者具有相似性）容器接受準(zhǔn)則和極限狀態(tài)（兩者具有相似性） 20072007版版ASME VIII-2ASME VIII-2：根據(jù)根據(jù)極限載荷分析極限載荷分析和和塑性失穩(wěn)載塑性失穩(wěn)載 荷分析荷分析，校核容器的可接受性稱為，校核容器的可接受性稱為接受準(zhǔn)則接受準(zhǔn)則，可分為：，可分為： 整體準(zhǔn)則：整體準(zhǔn)則：容器的失穩(wěn)載荷通過計(jì)算確定。容器的失穩(wěn)載荷通過計(jì)算確定。 使用準(zhǔn)則：使用準(zhǔn)則：限制可能出現(xiàn)的不滿意工況而設(shè)置的準(zhǔn)則。限制可能出現(xiàn)的不滿意工況而設(shè)置的準(zhǔn)則。 EN 13445-3:2002: EN 13445-3:2002: 提出對(duì)應(yīng)于不同失效模式的容器極提出對(duì)應(yīng)于不同失效模式的容器極 限狀態(tài)，分為限

49、狀態(tài)，分為 終極極限狀態(tài)：終極極限狀態(tài)：與爆破、跨塌相關(guān)的狀態(tài)。與爆破、跨塌相關(guān)的狀態(tài)。 可用極限狀態(tài)可用極限狀態(tài)：規(guī)定可滿足使用條件的狀態(tài)。：規(guī)定可滿足使用條件的狀態(tài)。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所2.7.基于應(yīng)力分類的分析設(shè)計(jì)步驟基于應(yīng)力分類的分析設(shè)計(jì)步驟結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力分析應(yīng)力分析運(yùn)用有限元運(yùn)用有限元法法找到危險(xiǎn)截找到危險(xiǎn)截面面確定分析確定分析部位可能部位可能存在的失存在的失效模式效模式應(yīng)力分類應(yīng)力分類同種應(yīng)力同種應(yīng)力分量的向量分量的向量疊加疊加計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算

50、應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)力強(qiáng)度校核應(yīng)力強(qiáng)度校核二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所應(yīng)力應(yīng)力分類分類根據(jù)應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的產(chǎn)生的原因原因根據(jù)對(duì)失根據(jù)對(duì)失效的影響效的影響平衡外載荷平衡外載荷引起（無引起（無自限性）自限性）變形協(xié)調(diào)引變形協(xié)調(diào)引起（有自限起（有自限性）性） 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過度變形過度變形 導(dǎo)致疲勞、導(dǎo)致疲勞、韌性破壞韌性破壞根據(jù)應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力分布情況分布情況總體總體( (局部局部) )薄膜應(yīng)力、薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力二次應(yīng)力和二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2

51、007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 一次應(yīng)力一次應(yīng)力二次應(yīng)力二次應(yīng)力峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力 一次總體薄膜應(yīng)力一次總體薄膜應(yīng)力 一次局部薄膜應(yīng)力一次局部薄膜應(yīng)力 一次彎曲應(yīng)力一次彎曲應(yīng)力mPLPbPQF歐盟歐盟EN 13445-3:2002EN 13445-3:2002：進(jìn)一步將二次應(yīng)力進(jìn)一步將二次應(yīng)力Q Q細(xì)分為二次細(xì)分為二次薄膜應(yīng)力薄膜應(yīng)力Q Qm m和二次彎曲應(yīng)力和二次彎曲應(yīng)力Q Qb b。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法 應(yīng)應(yīng) 力力 分分 類類2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資

52、格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所一次總體薄膜應(yīng)力mP薄膜應(yīng)力指沿厚度薄膜應(yīng)力指沿厚度均勻均勻分布分布的應(yīng)力，等于沿壁的應(yīng)力，等于沿壁厚方向的應(yīng)力平均值。厚方向的應(yīng)力平均值。典型實(shí)例典型實(shí)例：薄壁圓筒或球殼中遠(yuǎn)離不連續(xù)區(qū)域的：薄壁圓筒或球殼中遠(yuǎn)離不連續(xù)區(qū)域的薄膜應(yīng)力，或厚壁筒中的軸向應(yīng)力及周向應(yīng)力的薄膜應(yīng)力，或厚壁筒中的軸向應(yīng)力及周向應(yīng)力的平均值。平均值。容器容器總體范圍總體范圍內(nèi)存在的薄膜應(yīng)力。內(nèi)存在的薄膜應(yīng)力。特點(diǎn)特點(diǎn)是是屈服基屈服基本上不會(huì)導(dǎo)致根本性的應(yīng)力重分布本上不會(huì)導(dǎo)致根本性的應(yīng)力重分布。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿

53、年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所一次局部薄膜應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度超過應(yīng)力強(qiáng)度超過1.1S1.1Sm m(S(Sm m是是設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度) )時(shí)，沿殼時(shí)，沿殼體經(jīng)線方向延伸距離不大體經(jīng)線方向延伸距離不大于于 的薄膜應(yīng)力。的薄膜應(yīng)力。R R 定義：定義：LP應(yīng)力重分布：應(yīng)力重分布：邊緣效應(yīng)的指數(shù)衰邊緣效應(yīng)的指數(shù)衰減部分重新分配減部分重新分配，從，從0-A0-A全部進(jìn)全部進(jìn)入塑性，進(jìn)入極限狀態(tài)，不同于入塑性，進(jìn)入極限狀態(tài)，不同于彎曲應(yīng)力沿壁厚重新分布。彎曲應(yīng)力沿壁厚重新分布。局部薄膜應(yīng)力重分布局部薄膜應(yīng)力重分布二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007

54、年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所LP純一次性質(zhì)的局部薄膜應(yīng)力純一次性質(zhì)的局部薄膜應(yīng)力，如法蘭力矩；，如法蘭力矩；或或平衡外部機(jī)械載荷必須的內(nèi)力和彎矩，平衡外部機(jī)械載荷必須的內(nèi)力和彎矩，如如錐殼過渡段小端錐殼過渡段小端。二次性質(zhì)的局部薄膜應(yīng)力二次性質(zhì)的局部薄膜應(yīng)力，克服總體結(jié)構(gòu)不，克服總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)所需要的殼體連接處的內(nèi)力和彎矩所引連續(xù)所需要的殼體連接處的內(nèi)力和彎矩所引起的邊緣應(yīng)力的薄膜部分。起的邊緣應(yīng)力的薄膜部分?？煞挚煞譃閮煞N為兩種一次局部薄膜應(yīng)力分類：一次局部薄膜應(yīng)力分類：二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法20

55、07年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所一次彎曲應(yīng)力定義定義：bP與一次總體薄膜應(yīng)力的不同之處在于沿壁與一次總體薄膜應(yīng)力的不同之處在于沿壁厚的分布是線性的。厚的分布是線性的。典型實(shí)例：平板封頭圓離不連續(xù)區(qū)的中央部典型實(shí)例：平板封頭圓離不連續(xù)區(qū)的中央部位在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。位在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。由內(nèi)壓或其它機(jī)械載荷作用產(chǎn)生的沿壁厚線由內(nèi)壓或其它機(jī)械載荷作用產(chǎn)生的沿壁厚線形分布的應(yīng)力。形分布的應(yīng)力。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿

56、 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所二次應(yīng)力ASME VIII-2ASME VIII-2 ：Q典型例子：典型例子：總體不連續(xù)部位中彎曲應(yīng)力；圓筒殼中軸總體不連續(xù)部位中彎曲應(yīng)力；圓筒殼中軸 向溫度梯度引起的熱應(yīng)力；徑向溫差引起向溫度梯度引起的熱應(yīng)力；徑向溫差引起 的熱應(yīng)力的當(dāng)量線性分量；厚壁筒中由壓的熱應(yīng)力的當(dāng)量線性分量；厚壁筒中由壓 力產(chǎn)生的應(yīng)力梯度。力產(chǎn)生的應(yīng)力梯度。 “由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)自身約束所由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)自身約束所引起的正應(yīng)力或切應(yīng)力引起的正應(yīng)力或切應(yīng)力”、“局部屈服局部屈服和小量變形可以使引起這種應(yīng)力的條件和小量變形可以使引起這種應(yīng)力的條件得到滿足得到

57、滿足”，具有，具有自限性自限性。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所峰值應(yīng)力定義：定義：F由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量應(yīng)力增量。(a)“(a)“不引起任何顯著的變形不引起任何顯著的變形”；(b)“(b)“它是一種導(dǎo)致它是一種導(dǎo)致疲勞裂紋疲勞裂紋或脆性斷裂的或脆性斷裂的 可能原因可能原因”。其中：其中：(a)(a)表示表示高度的自限性高度的自限性；(b)(b)表示表示具有自限性

58、具有自限性 的循環(huán)塑性失效模式的循環(huán)塑性失效模式。ASME VIII-2:“ASME VIII-2:“峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力”的基本特征：的基本特征：二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)例子：局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)例子：小半徑過渡圓角；部小半徑過渡圓角；部分未焊透及咬邊；裂紋。分未焊透及咬邊；裂紋。局部熱應(yīng)力例子：局部熱應(yīng)力例子：堆焊層中的沿厚度方向的堆焊層中的沿厚度方向的熱應(yīng)力；厚壁筒中由徑向溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力熱應(yīng)力；厚壁筒中由徑向溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力中非線性分量。中非線性分量。峰

59、值應(yīng)力F特點(diǎn)：特點(diǎn)：局部性局部性影響區(qū)小于影響區(qū)小于壁厚的壁厚的1/41/4，否則劃為，否則劃為Q Q； 自限性自限性滿足滿足變形協(xié)調(diào)條件變形協(xié)調(diào)條件，屬自平衡力系。，屬自平衡力系。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所對(duì)應(yīng)力分類認(rèn)識(shí)的幾個(gè)誤區(qū)誤區(qū)（誤區(qū)（a a）：）：一次應(yīng)力是可用靜力平衡條件確定的應(yīng)力。一次應(yīng)力是可用靜力平衡條件確定的應(yīng)力。誤區(qū)（誤區(qū)（b b）：）：二次應(yīng)力就是由約束引起的。二次應(yīng)力就是由約束引起的。誤區(qū)（誤區(qū)（c c）：）：一次應(yīng)力滿足平衡方程，二次應(yīng)力滿足

60、變一次應(yīng)力滿足平衡方程，二次應(yīng)力滿足變 形協(xié)調(diào)方程。形協(xié)調(diào)方程。誤區(qū)（誤區(qū)（d d）：）：等效線性化后獲得的彎曲應(yīng)力就是二次應(yīng)力。等效線性化后獲得的彎曲應(yīng)力就是二次應(yīng)力。二、壓力容器分析設(shè)計(jì)方法2007年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿年壓力容器分析設(shè)計(jì)人員資格培訓(xùn)講稿 2007-10-21無錫無錫 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所自限性概念自限性：自限性：可理解為塑性流動(dòng)可被限制，取決于應(yīng)力對(duì)可理解為塑性流動(dòng)可被限制，取決于應(yīng)力對(duì) 平衡外載荷所起的作用。平衡外載荷所起的作用。理想塑性理想塑性材料，外材料，外載荷增加載荷增加對(duì)于對(duì)于平衡外載荷平衡外載荷的的一次應(yīng)力一次應(yīng)力，塑性流，塑性流動(dòng)不可限制，彈性