压力容器分析设计方法与工程应用 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

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。

目录

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解的性定理

4.6.2解的叠加定理

4.6.3虚位移原理

4.6.4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

7.2.4JB 4732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

11.3.1ASME Ⅷ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

11.3.5ASME Ⅷ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

12.3.1ASME Ⅲ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

12.4.1API 579

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

14.1GB 12337—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ASME Code Case 2605蠕变疲劳分析实例

23.1设计条件

23.2一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ANSYS Workbench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

24.5.1Step Controls

24.5.2Solver Controls

24.5.3Anglysis Data Management

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

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篇概述篇第1章绪论第1章绪论第1章绪论1.1国际压力容器规范的进步1.1国际压力容器规范的进步压力容器设计主要有两个途径：规则设计（或称为公式设计）和分析设计。虽然，规则设计在数量上占主导地位，但随着现代工业的工艺技术越来越复杂，分析设计的重要性和不可替代性也日益凸显，其对未来压力容器产品的国际竞争力所起到的战略重要性不容忽视。基于分析设计的优化设计不仅可以减小壁厚、节约材料，其在提高操作安全性和降低设备维护费用方面的作用同样显著。1.1.1欧盟EN13445ASME规范经过90多年实践和发展后，在本世纪初，欧盟颁布了与PED（压力容器指令）相配套的EN13445《非火焰接触式压力容器》，从此打破了世界上ASME规范一家独大的格局，形成了两大权威规范并存的局面。EN13445在许多棘手问题上提出了独到的解决方案，在设计概念上出现了很多创新，尤其是直接法的提出，更让ASME分析设计规范在安全性和经济性方面的竞争力面临挑战。在技术方面，EN13445主要提出了如下几个技术措施：（1） 直接针对失效模式给出校核和处理方法；（2） 允许使用非线性本构模型；（3） 对各种载荷（action）的组合应用多安全系数（multiple safety factor）；（4） 规定主要技术目标并结合适用规则来满足这些目标。1.1.2美国ASME Ⅷ22007年7月1日颁布的新版ASME Ⅷ2制订历时多年，系统总结了近40年来分析设计方法在基本思想和基本理念方面的重大进展，吸收了诸多压力容器前沿技术，全面引入了数值分析方法和无须应力分类的弹塑性分析方法，其主要特点如下：（1） 以失效模式为主线编制分析设计的规则，考虑了4种失效模式：①整体塑性垮塌失效；②局部失效；③屈曲引起的垮塌失效；④循环载荷下的失效（疲劳失效和棘轮失效）。（2） 全面引入数值分析方法（主要是有限元分析），对如何将数值分析应用于工程设计制定了一系列应该遵循的原则和步骤。规范所提供的各种设计和评定方法大部分都是以数值分析结果为基础的。（3） 弹性应力分析方法中等效应力的计算方法由第三强度理论改为第四强度理论。（4） 除了继续应用弹性应力分析方法外，还对总体塑性垮塌、局部失效、屈曲和循环失效这4种失效模式全面引入了弹塑性分析方法。无须进行应力分类的分析设计方法是压力容器设计现代化的热点。（5） 引入了基于载荷和抗力系数设计（Load and Resistance Factor Design）概念的弹塑性设计程序。（6） 对于局部失效，提出了基于局部应变失效的新设计方法，这种方法无须应力分类。（7） 对于屈曲，由于采用了数值分析方法，可以计算任意形状元件的屈曲载荷，包括弹性屈曲分析和弹塑性屈曲分析。（8） 针对焊接接头疲劳评定，提出了基于当量结构应力范围的评定方法，该方法对有限元网格不敏感，也是目前世界上的疲劳评定方法之一。1.2国内规范修订方向1.2国内规范修订方向我国压力容器分析设计标准JB 4732主要采用的是应力分类法。该方法经过十几年的工程实践，出现了一些众所周知的问题，比如应力分类的问题。这些问题阻碍了分析设计的实施和工程应用。要使新版JB 4732达到国际先进水平，可以参照ASME Ⅷ2，对当前的规范进行修订。只有这样，才能吸纳压力容器建造的技术，使之现代化，才可以从总体结构上进行大的调整，使之紧随国际技术进步。当然，这么做难度也很大，需要业界的多方努力方能实现。当前，基于弹性分析的应力分类法已与当代计算机软硬件的飞速发展严重脱节，同时，与应力分类法配套的载荷及安全系数的处理方法也与国际先进规范有一定的差距。为了尽快与国际接轨并吸收近年来的高新技术，必须加快JB 4732的修订步伐。从发展趋势来看，压力容器逐渐向大型化、高参数化方向发展，运行风险和不可预见因素都在增加，设计、制造、维护和检验难度越来越大。另外，重型压力容器的轻量化也越来越受到人们关注，除了欧美等发达国家，我国也在TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》中提出了节材要求。在重型压力容器高参数化和轻量化的国际新形势下，分析设计也逐渐有了更多的用武之地。国内JB 4732修订已经启动，修订后整体章节结构变化会很大，其中一个主要变化是以典型零部件公式设计为基础的规则设计和以数值计算为基础的分析设计并列。我们先回顾一下目前JB 4732中的相关规定。JB 4732对应力分析的免除作了如下规定：应力分析的免除是在满足本标准的第7、8、9章及附录A.4、附录D、附录I、附录J等的规定，对已做过应力分析及大量经验积累的解析或经验公式计算出的受压元件，予以免除的规定。例如对于球壳、凸形封头、球冠形封头、平盖、锥壳等，其结果已经够精确。总之，上述结构如果没有超出所规定的形状尺寸、载荷范围及边界条件，就不需要再做详细的应力分析。这些内容在修订JB 4732时可以归入规则设计篇章。即以公式设计为基础的“典型零部件设计”和以由数值计算（主要是有限元法）为基础的“分析设计”都将并列列于正文中。分析设计又分为弹性分析和弹塑性分析。这种结构的优点是：一方面，结构清晰，与国际接轨，另一方也突出了“规则设计”和“分析设计”地位同等，既独立又互补。规则设计能独立完成的设计，可以直接应用，而不必再做分析设计。规则设计不能独立完成的设计（如疲劳分析、复杂几何形状和载荷情况），可以用分析设计来补充完成。具体而言，分析设计可以作为下列情况下的补充手段：（1） 规则设计无法考虑的那些情况，比如疲劳工况、流固耦合分析及热瞬态等；（2） 要求进行各种载荷（如风载荷、雪载荷及地震载荷等）叠加的工况；（3） 对制造过程中容差超标的设备做适用性评估时；（4） 当地法规要求做分析设计，比如致死工况的设备；（5） 替代规则设计，比如出于优化的目的。此外，对已具备使用经验的在役容器可与设计的容器相比时，也应列于应力分析免除范围之内。如GB 150.1—2011对有成功使用经验的承受循环载荷的容器给出了设计规定：经设计单位技术负责人批准，可按GB 150进行设计，并按JB 4732补充疲劳分析和评定，同时满足相关制造要求。关于对比经验设计方法，GB 150.1—2014提出了较具体的要求，可以参考，如下：（1） 同时满足以下要求的容器可按对比经验设计方法进行设计： 不能按GB 150.3进行设计的压力容器； 材料标准抗拉强度下限值小于540MPa； 盛装介质毒性程度为中度危害及以下的容器。（2） 针对使用经验、设计条件、结构、材料等还有一些相关的要求，比如： 参照容器应为已投入实际生产运行的容器，其安全运行期限不得少于5年。 参照容器的实际运行条件不得低于其设计条件的80%。 与参照容器结构相同、介质相同。 设计温度不得高于参照容器的设计温度；对于设计温度低于0℃的容器，容器设计温度不得低于参照容器的设计温度。 设计压力不得高于参照容器的设计压力。 对比经验设计容器应与参照容器具有相同或相似的结构，主要结构尺寸的结构相似比应在0.85~1.15之间。 在保证对比经验设计容器使用功能前提下，应考虑结构优化，减小总体结构不连续和局部结构不连续所引起的二次应力和峰值应力的影响。1.3计算机辅助工程的发展1.3计算机辅助工程的发展压力容器分析设计属于CAE（计算机辅助工程）的范畴。了解各种CAE软硬件先进技术的发展状况及在各行业的应用情况，有助于压力容器设计人员开阔视野、借鉴其他领域的先进做法，同时也了解当前CAE软件所能解决问题的规模和难点。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视。它已经成为解决复杂工程计算问题的有效途径，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。这主要表现在以下几个方面： ①增加产品和工程的可靠性；②在产品的设计阶段发现潜在的问题；③经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本，缩短产品投向市场的时间；④模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。早在20世纪60年代初国际上就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段。CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力等方面，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的CAE软件在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ANSYS、ADINA、ABAQUS、MARC、COSMOS等。MSCNASTRAN软件因为和NASA的特殊关系，在航空航天领域有着很高的地位。它以早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以冲击、接触为特长的DYNA3D的基础上组织开发了DYTRAN。近年来又兼并了非线性分析软件MARC，成为目前世界上规模的有限元分析系统。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算，并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能使之迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的软件。纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析技术正在不断地发展和更迭，其中先进技术已经逐渐在压力容器分析设计中开始应用了，简介如下：(1) 与CAD软件的无缝集成。当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算。如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。(2) 更为强大的网格处理能力。有限元法求解问题的基本过程主要包括分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进。例如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动地划分出六面体网格单元。现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元，因此人们迫切地希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。(3) 由求解线性问题发展到求解非线性问题。随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的需求。许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土和岩土等材料进行分析时，需要考虑材料的塑性、蠕变效应，就必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解非常复杂，它不仅涉及很多专业的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库。(4) 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解。有限元分析方法早应用于航空航天领域，主要用来求解结构线性问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟。有限元分析方法的发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题，需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即“热固耦合”问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而弯管的变形又反过来影响流体的流动，这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓“流固耦合”问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场（或称为多物理场）的求解必定成为CAE软件的发展方向。(5) 程序面向用户的开放性。随着商业化水平的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额和满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境。允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等。这就是所谓的“通用软件专业化”，这在压力容器行业已经有所体现。关注有限元理论的发展，采用的算法技术，应用软件的二次开发专业化功能，是不断提升分析设计能力的重要途径。1.4分析设计发展趋势1.4分析设计发展趋势随着计算机能力的飞速发展（如大型计算机、多CPU并行计算系统）和计算软件的全面发展，针对强度、变形、稳定性、多物理场、流体、爆炸模拟仿真、碰撞模拟仿真等应用，出现了一大批商业化的工程软件。现代软件是集功能完整性、技术先进性与易学易用性于一体的高端通用机械分析软件，以结构力学分析为主，涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、断裂、复合材料、优化设计、概率设计、热及热结构耦合、压电等机械分析中几乎所有的功能。对于压力容器的设计，传统的计算机辅助设计(CAD) 已逐步过渡到计算机辅助工程(CAE)。随着计算机能力的不断增强和分析手段的日益多样化，设计者在结构设计阶段就可以预见到诸如焊接过程中所产生的残余应力、设备组装和运输过程中可能会出现的碰撞等问题，并在设计阶段消除这些问题，而分析设计和结构优化设计也逐渐为设计者所掌握。运用这些技术手段已经可以解决具有高度复杂本构关系或者复杂结构的工程问题，例如:（1） 各向异性的材料: 复合材料、纤维缠绕容器；（2） 结构组合分析设计: 法兰、垫片和螺栓组成的密封结构、多层壳体的接触问题；（3） 复杂结构的屈曲和后屈曲: 大型杆、壳组合结构的稳定性分析；（4） 结构的动力响应: 地震响应、管道振动、流体诱导振动等。此外，现代压力容器需要精确地解决流体和固体之间的相互作用问题，同时热分析和冲击分析也是不可缺少的技术手段，所以也要解决如下问题:（1） 流固耦合问题: 大型容器、移动容器、管道内流动;（2） 多相流问题: 锅炉燃烧、流化床燃烧和反应;（3） 传热和传质问题: 板式换热器、塔板效率、分配器效率;（4） 冲击载荷: 水锤现象、撞击。第2章分析设计方法概要第2章分析设计方法概要第2章分析设计方法概要目前在各国压力容器标准或规范中，压力容器设计主要采用两种方法：规则设计法和分析设计法。分析设计方法又分为弹性分析和弹塑性分析两大类。弹性分析与应力分类的方法本书放在2.4节概要性回顾。弹塑性分析方法在第三篇中加以介绍。2.1分析设计的基本概念〖*1〗2.1.1应力强度2.1分析设计的基本概念可以直接和许用应力进行比较的、由一个或几个主应力组合成的量，叫作应力的当量强度，简称应力强度。在一般材料力学教程中又叫作当量应力或计算应力。应力强度在压力容器设计规范中用S表示。应力强度除与应力状态中的主应力有关外，还与所选用的强度理论有关。对于强度理论，其强度条件为σ1≤［σ］（2.1）因此，应力强度为S1=σ1（2.2）相应的强度条件为S1≤［σ］（2.3）对于第三强度理论，其强度条件为σ1-σ3≤［σ］（2.4）因此，应力强度为S3=σ1-σ3（2.5）

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压力容器规范的发展史，是一部技术进步史。压力容器分析设计*早源自美国机械工程师协会的ASME Ⅲ《核设施元件建造规则》，该协会于1968年发布ASMEⅧ-2《压力容器另一规则》。此后30年，各国纷纷参照ASMEⅧ-2制定本国的分析设计规范。2002年之后压力容器分析设计方法与20世纪60年代相比变化较大。

近年来美欧相继颁布了新一代的分析设计规范，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较详细的阐述。书中对美欧规范中的分析设计方法均有涉及与介绍，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作了介绍和探讨。

本书适合自学分析设计的技术人员和分析设计初学者，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。

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前言

前言压力容器规范的发展史，是一部技术进步史。压力容器分析设计早源自美国机械工程师协会的ASMEⅢ《核设施元件建造规则》，该协会于1968年发布ASMEⅧ2《压力容器另一建造规则》。此后30年，各国纷纷参照ASMEⅧ2制定本国的分析设计规范。2002年之后压力容器分析设计方法与20世纪60年代相比变化较大。我国石化行业早于1971年开始应用分析设计规则，对容器的封头、开孔和开孔补强以及换热器管板等受压部件，进行了大量的分析计算工作。在JB 4732制定之前也曾多次应用应力分析法校核引进工程中的某些重要容器（如加氢反应器等），为制定以应力分析为基础的压力容器标准奠定了基础。1995年，我国颁布了分析设计规范JB 473295，真正开始较大规模地实施分析设计是在2000年之后。然而之后的短短几年，欧美分别在2002年和2007年相继颁布了自己的新一代分析设计规范。这两部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，特别值得关注的是全面引入了弹塑性分析和数值计算方法。目前，国内分析设计规范修订工作也已提上议事日程。修订后的分析设计规范将由JB(简称“机标”，即原国家机械工业部标准)改为GB(简称“国标”，即国家标准)，设计理念和设计方法，包括其规范名称和结构都将发生重大的改变。分析设计（Design by Analysis）是ASMEⅧ2《压力容器另一建造规则》中的一章（第5章），其与第4章规则设计（Design by Rules）是并列的，指基于数值计算（主要是有限元法）和详细应力分析的一种设计方法，本书所说的分析设计也指此意，即不包括制造、检验等内容。当前我们处在一个特殊时期：既要熟练地按国内规范进行国内工程的设计，同时随着国内工程公司近年来国际化的步伐不断推进，设计人员还要了解并运用国际规范来满足海外业主的工程要求。了解并学习欧美规范，这既能满足外资项目或对外投资项目的需求，也能为今后国内规范的修订做好准备工作并提供有益参考。同时，分析设计的工程应用和市场需求越来越广泛，学习分析设计的工程师也越来越多。在这样一个承前启后的过渡阶段，正好可以在总结国内过去10多年的使用经验的基础上，立足近年来国际上的技术进步，对分析设计做一个阶段性的回顾，期望达成如下几个目标：(1) 理解规范条款的原理。分析设计规范的条款都是对设计方法和规则直截了当、言简意赅的表述，这对设计人员而言，太宽泛、太笼统以致不能深刻理解。看起来都简单明了的规范条款，实际实施起来却困难重重，对初学者来说，更是感觉无从下手。本书期望为规范条款的理解和实施提供具体的指导、解析规范的来龙去脉、帮助技术人员较深刻地理解并运用好规范。(2) 了解国际上的技术进步。分析设计涉及的内容相对较广，很多知识分布在各种外文资料和文献中。近几年国际上压力容器分析设计技术发生了巨大的变化，而这些成果大多发表在外文期刊上，参阅起来并不是很方便。这给国内技术人员的自学和技能提升带来了困难。本书试图把国外压力容器分析设计的相关知识和技能进行系统的整理，给技术人员的日常设计工作提供便利的参考。(3) 掌握弹塑性分析的基本原理和实施步骤。近年来，软、硬件的发展从未停息，云计算等新技术的逐渐普及，也推动了弹塑性分析的广泛应用。美欧新一代规范的亮点之一就是弹塑性分析，这也是国内规范修订的必由之路。这对设计人员而言，当前既是机遇，也是挑战。弹塑性分析相比弹性分析更为复杂，例如弹塑性分析得出的结果难以用解析解去验证或判断其趋势。本书试图对弹塑性分析相关的原理和步骤加以介绍，这有助于国内技术人员对其原理加深理解，以便今后在设计工作中更好地运用该方法。(4) 了解蠕变疲劳分析的基本原理和实施步骤。随着过程工艺的不断进步，高温设备及高温加疲劳的设备不断涌现。目前高温蠕变的设备通常由境外公司设计并制造。国内的几个知名工程公司及高校已经开展了相关的研究和试设计。今后国内分析设计规范修订时或许会引入相关的内容。高温蠕变是今后的设计中必须要面对和解决的问题，本书试图对其做一个初步性的介绍，希望起到一个抛砖引玉的作用。(5) 了解有限元软件的原理和设置。有限元技术和弹|塑性分析越来越普遍，这是一个趋势。但是众多弹|塑性有限元分析技术的使用者却并不了解有限元软件中所包含的经典塑性理论的各种原理、假设和近似。比如：什么情况下软件会考虑鲍辛格效应和迟滞现象？初始屈服和后继屈服的数学模型在软件中做了各种近似，这些近似在哪些情况下是成立的，在哪些情况下是不成立的？不同的材料模型对压缩时的屈服做了何种假设等？再比如，很少有人留意屈服应力本身也是基于一定假设的：它来自单向拉伸试验，却用作多向屈服准则的参照值。上述这些隐藏在规范和软件背后的原理和假设是分析设计人员需要了解的。本书也会对这部分内容进行探讨和介绍，以便在实际的软件操作过程中针对不同的工程问题选择正确的计算模型和参数设置。(6) 熟悉典型的工程案例。学习分析设计的终目的是进行工程应用。本书收集工程实践中的数个典型实例，除了给出日常设计经常碰到的接管分析、疲劳分析等，还给出了一些如高温蠕变等比较前沿的分析实例。本书大部分例子是基于ANSYS Workbench软件完成的，书中讨论了版有限元软件的工程应用，给出了一些实际工程问题的解决方案，适合一线工程技术人员学习和参考。本书内容丰富，共分为五篇24章：篇为概述篇。介绍了当前国际上（主要是美欧）压力容器分析设计的技术进步，同时也介绍了数值计算（主要是有限元）软件的发展情况。在此基础上，讨论了国内分析设计的现状及今后的发展方向。第二篇为理论篇。压力容器分析设计是以材料力学、弹性力学、塑性力学及断裂力学等多门力学为理论基础的。这些力学问题求解所用的数值方法主要是有限元法。本篇介绍弹性力学、塑性力学和有限元等与工程设计息息相关的理论基础知识。这些知识是分析设计的基础和前提，但工程技术人员大多并非力学专业出身，我们的目标是掌握基本和核心的内容，以便在有限元模型的建立和分析过程中作出正确的判断。同时，这些理论知识也是正确使用有限元软件的必要前提，有限元软件界面操作很容易，要正确使用的话必须了解其背后的理论和技术背景。第三篇为规范篇。本篇以失效模式为主线，介绍了塑性垮塌、局部失效、屈曲、疲劳和棘轮这几种失效模式对应的评定方法，包括弹性应力分析法和弹塑性应力分析法。这些内容也是近年来美欧规范修订的重点内容，也是今后JB 4732的重点升级或修订内容。值得一提的是，这些名称均是直接翻译而来，在JB 4732修订时，如有必要，应对其制定更合适的命名。第四篇为实例篇。工程设计中需要设计的元件和设备的结构多年来没有大的变化，变化的是运用新的规范和软件技术来提高设计水平。本书在介绍典型实例的同时，力求介绍更多的新内容和新技能。比如，运用子模型技术对斜接管进行分析，虽然子模型技术对斜接管分析不是必需的，但通过这个实例掌握的基于Workbench的子模型技术可以运用于其他场合。基于ASME CODE CASE 2605的蠕变疲劳分析，这些都是比较新颖的内容，希望能给读者一个有益的参考。第五篇为软件篇。本篇主要介绍了ANSYS Workbench软件。ANSYS Workbench在日常工程设计中已经应用很多，在介绍时以介绍使用技巧和注意事项为主。本书可作为规范的一个补充或参考，应该结合规范一起阅读。读者应该具备一定的压力容器设计相关的经验和知识（但是否从事过分析设计不是必需的），分析设计的初学者和资深工程师都可以参阅本书。对于初学者可先学习本书中力学基础和软件应用的相关章节，必要时可以参阅其他专门阐述该类主题的专著。对于资深工程师可更多地关注规范的原理和假设、部件受力分析及工程案例复验等，进而提出改进方案和方法。本书得以完成得益于作者多年的工程实践与科研经历，还有多家单位和多位专家同仁的大力支持。特别感谢国家杰出青年科学基金、惠生工程(中国)有限公司和清华大学的支持。感谢清华大学航天航空学院陆明万教授的支持和指导。本书审稿专家吴云龙高工知识渊博、工程经验丰富，从工程实践的角度提出了很多宝贵意见，使得本书在内容和逻辑上更加严谨。高温结构完整性领域专家、美国ASME压力容器技术杂志副主编、英国Strathclyde大学陈浩峰教授为作者提供了很多有价值的资料和指导。唐艳芳、清华彭恒硕士、章骁程（高温部分）三位同仁参与了部分章节的编写工作，丰富了本书的内容。浙大李涛博士、黄志新博士、程香高工、清华代岩伟博士、蔡国华高工、万里平对本书提出了很多有益的建议。惠生工程公司的刘海军总裁、陈惠梅高级副总裁、章晨晖教授级高工、李延生教授级高工、刘敬源高工和林亚森高工对我们开展的分析设计工作给予了大力支持。正是在大家的支持和鼓励下，本书才得以顺利出版，在此表示衷心感谢。同时还感谢清华大学出版社陈朝晖老师对本书出版给予的热情指导。感谢朱明思完成了大量的文字整理和校对工作。本书还借鉴了国内外专家学者及工程技术人员的研究成果和工程经验，在此向相关的作者和出版单位表示感谢。技术是在不断进步的，但书籍出版后一般都无法像维基百科或百度百科那样随时进行线上更新和补充，读者之间的奇思妙想和建议、创意也无法实时交流。互联网时代，这些都不是问题，早在《ASME压力容器分析设计》一书出版时，就已经为读者及对分析设计感兴趣的同仁建立了一个技术交流社区（www.shebeiQ.com），供大家在线讨论，也欢迎关注微信公众号shebeiQ以获得与本书相关的勘误和技术交流信息。由于编者水平有限，错误在所难免，恳请读者批评指正。联系邮箱KennyShen@vip.163.com。

沈鋆刘应华于北京清华园2015年12月