压力容器应力分析设计方法的进展和评述
压力容器应力分析报告
压力容器应力分析报告引言压力容器是一种用于储存或者输送气体、液体等介质的设备。
由于容器内的介质压力较高，容器本身需要能够承受这种压力而不发生破裂。
因此，对压力容器进行应力分析是非常重要的，它可以帮助我们判断容器的安全性并提供设计和改进的依据。
本报告旨在对压力容器进行应力分析，以评估其在工作条件下的应力分布情况，并根据分析结果提出相应的建议和改进措施。
1. 压力容器的工作原理和结构在进行应力分析之前，我们首先需要了解压力容器的工作原理和结构。
1.1 工作原理压力容器通过在容器内部创建高压环境来储存或者输送介质。
这种高压状态可以通过液体或气体的压力产生，也可以通过外部作用力施加于容器上。
容器的结构需要能够承受内部或外部压力的作用而不发生破裂。
1.2 结构压力容器通常由壳体、端盖、法兰、密封件等部分组成。
壳体是容器的主要结构部分，可以是圆柱形、球形或者其他形状。
端盖用于封闭壳体的两个端口，而法兰则用于连接不同部分的容器或其他设备。
密封件的选择和设计对于保证容器的密封性和安全性至关重要。
2. 压力容器应力分析方法在进行压力容器应力分析时，我们可以采用不同的方法和工具。
下面将介绍两种常用的应力分析方法。
2.1 解析方法解析方法是一种基于数学模型和理论计算的应力分析方法。
通过建立压力容器的几何模型和材料性质等参数，可以使用解析方程和公式计算容器内部和外部的应力分布情况。
这种方法适用于简单结构和边界条件的容器，具有计算简单、速度快的优点。
2.2 有限元方法有限元方法是一种基于数值计算的应力分析方法。
它将复杂的压力容器分割成有限个小单元，通过求解每个小单元的应力状态，再将它们组合起来得到整个容器的应力分布。
有限元方法可以考虑更多的几何和材料非线性，适用于复杂结构和边界条件的容器，具有更高的精度和可靠性。
3. 压力容器应力分析结果和讨论在进行压力容器应力分析后，我们得到了容器内部和外部的应力分布情况。
根据具体的分析方法和参数，以下是一些可能的结果和讨论。
应力测试方法的现状及发展趋势
应力测试方法的现状及发展趋势工业生产中，应力与应力集中是管道、压力容器、涡轮盘、压缩机叶片和飞机构件等重要承载结构件发生失效的主要原因之一。
承载结构件由于加工制造、焊接变形造成的残余应力以及在服役过程中动、静载荷的作用下产生应力集中都会使其机械特性发生改变，尤其会对承载结构件的力学性能、耐腐蚀性、疲劳强度和形状精度等产生较大的影响。
如何对结构件进行应力测量、状态评估以期尽早发现应力集中区域、快速有效的分析测定结构件重要部分的应力与应变分布实现对结构件的强度分析，同时评估结构件的使用状况和寿命实现早期诊断与监测，已成为亟需解决的问题，也是近年来力学研究的主要方向。
因此应力的测量及其状态评估一直是国内外研究的热点。
1 常用应力测试方法应力的存在与应力集中是导致材料和结构最终失效的主要原因。
研究材料的应力分布及应力状态下材料的物理性质，能够预防工程应用中可能出现的损坏或失效。
而对于有益的物性改变，加以合理的利用可以增强材料的机械性能，因此分析材料的应力分布及应力状态下的物理性质具有理论研究与实际应用价值，应力测试方法是实现这一价值的必要手段。
目前，常用的应力测试方法有机械法、光测法、磁测法、衍射法、超声法及纳米压痕法。
1.1 机械法● 1.1.1 小孔法小孔法于1934 年由德国学者J.Mather 提出[1]，并由Soete 发展完善，使其具有实用性[2]。
经过数十年的发展，美国材料试验协会（ASTM）于1981 年颁布了钻孔测量法残余应力标准（ASTM E837—1981），并于2008 年更新为ASTM E837—08[3]，将其确定为一种标准化的测试方法。
其基本原理是采用结构件表面钻孔的方式释放其表面应力，并用预先粘贴好的三向应变片测量钻孔前后的应变松弛，通过应变片测量材料应力释放前后的应变量，运用相应的应力学公式计算出对应的主应力值及主应力方向。
根据钻孔是否钻通，小孔法可分为通孔法和盲孔法。
压力容器应力分析设计方法的进展和评述
压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器在工业生产中的应用越来越广泛，但是压力容器在使用过程中会受到制作反应介质压力等多种荷载压力的影响，要想使压力容器在使用过程中能够发挥出最大作用，并且提高其使用寿命，需要合理设计压力容器的各种荷载，通过分析压力容器在荷载作用下的用力变形，提出相关的改进措施，有利于提高压力容器的经济效益。
标签：压力容器;应力分析;设计方法压力容器通常情况下是储存液体、气体的密封设备，在使用过程中需要承载一定的压力，因此对压力容器的安全性提出了更高的要求。
合理分析压力容器的应力分析和选择合适的设计方法非常重要。
在确保压力容器的正常使用的前提下，在最大程度上实现压力容器的经济目标。
我国根据压力容器的使用情况，出台了相关标准以及技术要求等。
不断对压力容器进行改进，使压力容器的设计，制造，检验以及使用等环节都能得到充分保障，实现了压力容器的迅速发展。
1压力容器概述1.1概念压力容器是指盛装气体或液体的设备，需要承载一定压力的密闭设备。
压力容器主要包括：储运容器、反应容器、热换器以及分离器。
1.2用途压力容器的应用非常广泛，压力容器在石油化工，能源工业，科研与军工等国民经济各个部门都是非常重要的设备。
压力容器一般包括筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等部分组成。
另外，压力容器还配有安全装置、仪表设备以及配合生产工艺作用的内部原件，由于压力容器是密封、承压设备，因此在使用过程中容易发生爆炸，火灾等安全事故，从而造成人员伤亡和环境污染，因此需要合理运用压力容器，防止安全事故的发生。
2压力容器应力分析设计方法压力容器是工业生产中的重要工具，在工业生产中发挥着重要作用，但是压力容器在使用过程中也存在一定的危险性，会严重影响工作人员的人身安全以及周围环境，如果压力容器得不到较好利用，会造成严重后果。
压力容器应力是指受到外界因素的影响，在物体内部各种因素产生的相互作用，抵抗外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到原有位置，因此加强压力容器的应力分析是非常重要的研究课题。
压力容器应力分析设计方法的进展和评述通用版
安全管理编号：YTO-FS-PD389压力容器应力分析设计方法的进展和评述通用版In The Production, The Safety And Health Of Workers, The Production And Labor Process And The Various Measures T aken And All Activities Engaged In The Management, So That The Normal Production Activities.标准/ 权威/ 规范/ 实用Authoritative And Practical Standards压力容器应力分析设计方法的进展和评述通用版使用提示：本安全管理文件可用于在生产中，对保障劳动者的安全健康和生产、劳动过程的正常进行而采取的各种措施和从事的一切活动实施管理，包含对生产、财物、环境的保护，最终使生产活动正常进行。
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压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。
其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。
压力容器概述1.1.概念所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。
贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。
1.2.用途压力容器的用途十分广泛。
它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。
压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。
此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。
压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。
世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。
分析设计方法在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。
现代化压力容器焊接残余应力的研究现状与展望
现代化压力容器焊接残余应力的研究现状与展望摘要本文介绍了国内外有对压力容器残余应力分析研究的各种方法，分析了这些方法在实际应用中的优缺点，同时也展望了未来压力容器残余应力测试与评价的发展趋向。
关键词定量测试；残余应力；压力容器1 概述在焊接过程中，由于不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩而引起焊接残余应力和各类焊接变形的产生。
残余应力在材料加工和处理过程中都是难以避免的，是影响焊接结构使用性能和寿命的重要因素。
当焊缝和热影响区附近应力发生很大的变化时，这些部位容易产生裂紋，设备零部件发生损坏的主要原因通常是由残余应力导致的应力腐蚀和疲劳裂纹等缺陷。
因此，明确变化部位对判断和防止裂纹缺陷很有必要[1]。
2 研究的必要性每年压力容器失效造成的损失巨大，据统计美国达700 亿美元，日本高达25000 亿日元，中国也达到200 亿元。
全国现有在用压力容器233.59万台，锅炉60.73 万台，这些设备多数在高温、高压、低温、疲劳、腐蚀性介质下运行，安全寿命长的20 年以上，短的几年甚至几个月，主要由设备的原始缺陷和使用缺陷决定。
材料内部结构不连续性、焊接过程中过大的温度梯度造成了应力集中，在介质、温度和压力的共同作用下诱发裂纹、疲劳损伤和腐蚀开裂的产生，最终导致设备失效。
利用测试技术有效检测出材料由焊接产生的残余应力集中区，将极大程度的预防压力容器缺陷的产生并能对运行中的设备进行细微缺陷的监控，对设备的安全有效运行意义重大[2]。
3 现状分析对于压力容器的容许残余应力，现阶段还没有系统而规范的标准进行评价，因此压力容器残余应力的研究有待深入，且变得格外引人注目。
目前，国内外对压力容器残余应力的研究主要包括：3.1 对残余应力定量分析方法的研究对残余应力的测量方法主要分有损和微损两种，有损的分析方法如削磨面积法和小孔法，需要对检测对象进行破坏取样，在实际工程应用中受到很大限制。
微损的分析方法，包括X 射线衍射法、光弹性法、超声波法和磁力耦合应力检测法。
压力容器应力分析设计方法的进展和评述
编号：AQ-JS-09096( 安全技术)单位：_____________________审批：_____________________日期：_____________________WORD文档/ A4打印/ 可编辑压力容器应力分析设计方法的进展和评述Development and review of stress analysis and design methods for pressure vessels压力容器应力分析设计方法的进展和评述使用备注：技术安全主要是通过对技术和安全本质性的再认识以提高对技术和安全的理解，进而形成更加科学的技术安全观，并在新技术安全观指引下改进安全技术和安全措施，最终达到提高安全性的目的。
压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。
其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。
压力容器概述1.1.概念所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。
贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。
1.2.用途压力容器的用途十分广泛。
它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。
压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。
此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。
压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。
世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。
分析设计方法在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。
它的特点是:2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。
可以采用理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。
压力容器应力分析标准
压力容器应力分析标准压力容器是一种用于承受内部压力的设备，通常用于储存或加工气体、液体或蒸汽。
在设计和制造压力容器时，应力分析是至关重要的步骤。
应力分析可以帮助工程师确定材料的合适性，以及在使用过程中可能出现的应力集中区域，从而确保压力容器的安全运行。
首先，压力容器应力分析需要遵循一定的标准和规范。
国际上广泛应用的压力容器设计规范包括ASME（美国机械工程师协会）的《压力容器规范》和欧洲的PED（压力设备指令）。
这些规范详细规定了压力容器的设计、制造、检验和使用要求，其中包括应力分析的相关内容。
在进行应力分析时，工程师需要考虑压力容器在运行过程中可能受到的各种载荷，包括内压、外压、温度载荷、地震载荷等。
针对这些载荷，工程师需要进行应力分析，计算压力容器的应力分布情况，以及应力集中的位置和程度。
通过应力分析，工程师可以评估材料的强度是否足够，以及是否需要采取一些措施来减轻应力集中的影响。
此外，应力分析还需要考虑压力容器的几何形状、焊接接头、支撑结构等因素。
这些因素都会对应力分布产生影响，因此在进行应力分析时需要全面考虑。
在实际工程中，工程师通常会利用有限元分析等计算工具来进行应力分析。
有限元分析是一种数值计算方法，可以对复杂结构的应力分布进行精确计算。
通过有限元分析，工程师可以得到压力容器各个部位的应力情况，从而指导后续的设计和制造工作。
总的来说，压力容器应力分析是压力容器设计和制造过程中不可或缺的一部分。
遵循相应的标准和规范，全面考虑各种载荷和因素，并利用适当的计算工具进行应力分析，可以确保压力容器的安全可靠运行。
在未来的工作中，我们需要不断改进应力分析的方法和技术，以适应不断发展的压力容器应用需求。
6.5压力容器的应力分析设计-II 对各类应力强度的限制
6.5化工容器的应力分析设计-Ⅱ各类应力强度的限制
13
第二节 化工容器的应力分析设计
三、分析设计法对各类应力强度的限制
(三) 安定性准则
(3)
1=2y 这是安定与不安定的界限。第一次加载
卸载的应力应变回线为OABC，这是不出现反向屈服 的最大回线，以后的加载卸载的应力应变循环均沿一 条最长的BC线变化，不再出现新的塑性变形，表现出 最大的弹性行为，即达到安定状态。与此对应的虚拟 应力1正好为2y，因此1≤2y 即为出现安定的条件。
3
第二节 化工容器的应力分析设计
三、分析设计法对各类应力强度的限制
(一)应力强度及基本许用应力强度 2．基本许用应力强度Sm
6.5化工容器的应力分析设计-Ⅱ各 类应力强度的限制
4
第二节 化工容器的应力分析设计
三、分析设计法对各类应力强度的限制
(一)应力强度及基本许用应力强度 3．应力强度的限制条件
10
第二节 化工容器的应力分析设计
三、分析设计法对各类应力强度的限制 (三) 安定性准则
含二次应力(Q)的组合应力强度若仍采用由极限载荷准则导出的1.5Sm来
限制则显得很保守。这是由于二次应力具有自限性， 只要首先满足对一次应力强度的限制条件(Pm≤Sm及PL+Pb≤1.5Sm)，则二 次应力的高低对结构承载能力并无很显著的影响。 在初始几次加载卸载循环中产生少量塑性变形，在以后的加载卸载循环 中即可呈现弹性行为，即结构呈安定状态。 但若载荷过大，在多次循环加载时可能导致结构失去安定。丧失安定后 的结构并不立即破坏，而是在反复加载卸载中引起塑性交变变形，材料 遭致塑性损伤而引起塑性疲劳。 此时结构在循环应力作用下会产生逐次递增的非弹性变形，称为“棘轮 现象”(Ratcheting)。
分析压力容器设计方法的进步
分析压力容器设计方法的进步摘要应用力学在推动压力容器设计方面发挥了非常积极的作用。
本文结合关于压力容器设计方法进步的真实案例，分析了应用力学对于压力容器的积极价值，并给出了推动我国压力容器设计快速发展的相关建议。
关键词压力容器设计；应用力学；分析设计；设计规范中图分类号th490 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）83-0095-010 引言为了推动我国压力容器的快速发展，提高我国自行设计压力容器的技术水平，我国工业领域在上个世纪70年代意识到应用力学理论对于压力容器设计的重要价值，并开始着手做相关方面的工作。
经历将近40年的努力之后，我国在压力容器设计方面取得了显著的成绩和巨大的进步。
1 基于真实案例的压力容器设计方法进步分析1.1 圆柱壳大开孔接管应力分析设计方法的进步性在多种荷载共同作用于圆柱壳开孔接管时，又因支管与主壳相互连接的部位几何结构不连续，相贯区域产生应力集中。
一旦设备发生破坏，则这些部位就成为灾害性事故的原发部位。
所以迫切需要借助相关科学理论来分析圆柱壳开孔接管的应力情况。
以此为基础来实现对压力容器的合理设计，才能确保压力容器安全有效地运行。
不论是欧洲采用的“压力面积法”还是我国采用的“等面积补强法”，均只适用于较小开孔率且容器受内压空旷的情形下。
目前在数学和应用力学理论方面需要解决的问题便是寻找大开孔率下的薄壳理论解。
经过专家多年的不懈努力，我国在薄壳理论解方面获得了相对于前人的重大突破。
其表现为：首先圆柱薄壳方程采用经过修正之后的morley方程，放弃了以往采用的简化扁壳方程。
经过修正的morley方程不仅能够有效对开孔问题进行求解，还能够保证较高的精度[1]，该解的精度提高到了薄壳理论的精度o（t/r）量级。
其次以往因为精确连续条件以及复杂精确方程而导致的诸多数学难题得到了有效的克服，获得了外载和内压作用下的圆柱壳开孔接管的薄壳理论解。
无论是三维有限元解，还是近年来在国际上发表的相关试验结果，均对该理论解的高度可靠性进行了有力证明。
压力容器设计方法比较和应力分类准则
以美国的 ASME 锅炉压力容器规范第 VIII 卷第二册的诞生为标志，压力容器的设计方 法发生了一次革命，从传统的按规则设计的方法过渡到以详细的应力分析与评定的设计基准 的更高阶段。分析设计从设计思想上来说，就是放弃了传统的“弹性失效”准则，而采用以 极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，允许结构出 现可控的局部塑性变形区，允许对峰值应力部位作有限寿命设计，采用这个准则，可以较好 地解决前述的矛盾，合理地放松了对计算应力过严限制，适当的提高了许用应力值，但又保 证了结构的安全性。由于分析设计采用了塑性失效准则，因而安全系数相对降低，许用应力 相对提高。而常规设计的安全系数相对较大，其原因主要就是为了弥补前项的某些不足之处。
常规设计内容一般是以材料力学及板壳薄膜理论的简化公式为基础，加上一些经验系数 组成的，未对容器某些区域的实际应力进行严格而详细的计算，而是通过加大相应安全系数 来保证压力容器的安全工作。对于高温情况，要把热应力控制在传统标准允许的水平之下有 时是做不到的。在高温、高压的容器中热应力与内压应力之和已超过传统的允许值，无论加 厚或减薄壁厚均不能满足传统标准要求，因为两者对壁厚大小的要求是相反的，对于一些弹 性元件（如膨胀节）对壁厚要求也属于这类问题（强度与柔度的矛盾）。若按常规设计的原 则与方法，就无法得到十分合理的设计，在实际运行中的设备中出现的疲劳裂纹是反复加载 条件下结构的一种破坏形式，静载荷设计和产品水压试验都不能对此作出合理的评定和预 测。因此，人们在生产实践中发现，常规设计在某些场合暴露出一些细节上的问题。尽管如 此，实际生产证明常规设计还是合理且安全的。
计算方法
平衡机械载荷 整体(总体) 无自限性 静力强度失效
一次加载
压力容器分析设计方法和标准简介与比较
Ａ ａ ｓ － ｔｏ ａｅ ｎ ｓ ｅｓ ａｅ ｏｉｓ ｎ ｌ ｉ Ｍｅ ｄｂ ｓｄｏ ｔ ｓ ｃ ｔ ｒ ） ｙ ｓ ｈ ｒ ｇ ｅ
法。 目前 通 用 的 有 限元 分 析 软 件 有 ＡＮＳ 、 ＹＳ
ＮＡＳ Ｒ Ｔ ＡＮ、ＡＤＩ 、ＡＢ ＵＳ和 ＭＡＲ ＮＡ ＡＱ Ｃ
件。 另一 种更 科 学 更严 密 的 设计 规 范分 析 设
析设 计 允许 结 构 内 出现 可 控 制 的局 部 塑 性
变形 ， 允许对峰值应力部位进行有 限寿命设
计。 分析 设计 不 但 有 效 防止 了相关 的失效模
式产 生 ， 而且 还 充 分地 发 挥 了材 料 的 承载潜 计方法， 要求对压力容器进行应力分析和疲 力 。 劳分 析 ， 由于 这 种定 量 分 析 结果 使 结构 趋于 应 力 分 析 的方 法 手 段 一般 有 三 种 ： 解 更合 理 ， 因此 ， 该 规范 设 计 的容 器 ， 以达 析 方 法 ， 值 方 法 和 实 验 应 力 分析 。 析方 用 可 数 解 到较高的应力而并不削弱安全裕度。 法 采 用 弹性 力 学 方 法 ， 过 平 衡 方 程 、 通 几何 近年来， 随着石油化工 、 化工、 医药等领 方程 、 物理方程、 形协 调方程及 边界条件 变 域装 置 大型 化 的趋 势 ， 设备 安 全性 和 轻量 求 得 问题 的解 答 。 对 但上 述 方 程 都是偏 微 分 方 化等 要求 日益提 高 ， 得 分析 设 计 方 法在 压 使 力 容器 设计 中的应用 越 来越普 遍 。
又可把整体分解为筒体、 头、 兰、 封 法 开孔 、
２ 压 力容 器分 析设 计方 法
分析压力容器应力分析设计方法的进展和评述
引 言
压力容器是储存液气、 气体等 的密 闭设备 ， 承载一定 的压力 ， 这对其 安全性提 出了很高 的要求 ， 因此 ， 应力分 析及合理先进 的设计 方法必不 可少 。目前 ， 为 了在确保压力容器在使用过程 中安全可靠的前提 下， 达 到 易于制造 、 结构合理 、 设计先进、 使用可 靠以及造价经济等 目标 ， 我 国根 据压力容器的具体情况 ， 出台了相关 的标准 、 规范 以及技术条件等 ， 并 ３ 交 变 载 荷
交变载荷 是指其大小和方 向随着 时间变化而变化 的载荷。例如 由往 复式压 缩机引起的压力波动 、 容器零件之 间的温度 差变化 、 液 体波动 引 起 的荷 载 变 化 等 等 。
压力容器应力分析
c. 锥形壳体
代入区域方程得：
pR ，
2t
则
pR t
这与前边
pD 4t
及
pD 是一样的 2t
母线(mǔxiàn)为直线， xtgx r
cos 将R1R=1∞、，RR2代2=入混合(hùnhé)方程得：σθ=2σφ
代入区域方程得：
pr ， 2t cos
则
pr
t cos
可见：① 平行圆半径 r 越小，应力σφ、σθ也越小，锥顶处应力为零
第二十六页，共129页。
无力矩理论应用条件
压力容器应力
(yìnglì)分析
（1）壳体的厚度、中面曲率和载荷均应连续、没有(méi
yǒu)突变，材料物理性能相同
（2）壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩作用
（3）壳体的边界处的约束沿经线的切向方向，不得限制边 界处的转角与挠度。
实际中同时满足这三个条件非常困难(kùn nɑn)，即理 想的无矩状态并不存在。应对的方法是按无力矩理论计算壳 体应力，同时对弯矩较大的区域再用有力矩理论修正。
第八页，共129页。
横向剪力、弯、扭矩 统称为弯曲(wānqū)内 力
压力容器应力分析
有力矩理论或 弯曲理论
无力矩(lì jǔ)理 论或薄膜理论
无矩应力状态
同时考虑薄膜内力和弯曲内力，适用于抗弯 刚度(ɡānɡ dù)大、曲率变化大
只考虑(kǎolǜ)薄膜内力、不考虑 (kǎolǜ)弯曲内力，适用于抗弯刚度小、 曲率变化小 承受轴对称载荷的回转薄壳，仅有径向力 Nφ与环向力Nθ、无弯曲内力的应力状态
第二页，共129页。
薄壳
厚壳
t/R≤1/10
t/R>1/10
压力容器应力分析和设计优化
压力容器应力分析和设计优化摘要：以往的压力容器在设计以及制造过程中会面临着许多问题，这些问题的存在会导致生产成本增加，压力容器制造出来后难以适应当前的工作环境等。
基于以上几个方面，本文作者利用有限元分析的原理，对压力容器的设计方法进行优化。
通过执行这一过程，先是根据有限元法的基本原理，分析压力容器各个部分的特点，将所得到的分析结果转化成一些有用的数据，接着根据优化设计方法对数据进行相应的整合，最后便可以获得符合标准性能指标的实际设计数据。
通过一定的实践证明，利用有限元分析的优化设计方法，可以针对不同的实际情况进行相应的处理，从而获得较好的效果。
关键词：压力容器；应力分析；优化设计一、优化设计基本原理何为优化设计，顾名思义就是从可选择的范围内选取最合适的设计方案。
对于优化设计，现阶段人们逐渐开始对其进行深入研究，因为这种方法对于人们解决复杂问题有着重要的意义，它能够指导人们快速地从一些既定的可选设计方案中选择出来最合适，同时又能符合实际情况特点的设计方案，因此在当前的工程项目的建设或者产品的设计方面应用越来越广泛。
将数学规划和计算机技术中的一些原理方法进行结合，便产生了目前人们所说的优化设计，这种优化设计的具体特点如下：通过将所需要设计的产品的相应性能指标、结构指标以及一些其他较为重要的指标转化为相应的自变量函数，当然这些自变量都有其相应的限定范围，这就需要根据预期所设计产品的具体形态以及所要具备的功能要求，利用相应的数学理论将这些限定条件转化为对应自变量的区域，从而确定出较为合理的自变量取值范围，更好的服务于后续的计算过程；最后，根据相应的理论知识，选择合适的变量组合方法，利用相应的算法，从而在自变量的限定范围内获得目标函数的最优值。
在进行优化设计时，要利用到数学中经常用到的方法，即数学建模；将实际情况中的问题转变为经过优化设计后的数学模型，经过一定的方法确定了自变量、自变量的限定范围以及相应的自变量组合方法之后，在进行最优值的计算。
压力容器的应力分析
按应用情况
反应压力容器（Ｒ）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等； 换热压力容器（Ｅ）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等； 分离压力容器（Ｓ）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等； 储存压力容器：（Ｃ，球罐为Ｂ）储存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。
图片
压力容器的结构图
零部件的二个基本参数：公称直径DN
对于用钢板卷制的容器筒体而言，其公称直径的数值等于筒体内径。 当容器筒体直径较小时，可直接采用无缝钢管制作时，这时容器的公称直径等于钢管的外径。 管子的公称直径（通径）既不是管子的内径也不是管子的外径，而是一个略小于外径的数值。 见P181 表14-1压力容器的公称直径DN
球形壳体
球壳R1＝R2=D/2，得： 直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。 当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。
圆锥形壳体
圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：
圆锥形壳体
锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大；a角要选择合适，不宜太大。 在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。
工程上常用的应力分析方法：
有力矩理沦：不仅承受拉应力，还承受弯矩和弯曲应力； 无力矩理沦：只承受拉压应力，不能承受力矩的作用 无力矩理沦有近似性和局限性，其误差在工程计算允许的范围内，计算方法大大简化，该方法常被采用。 应用条件：
圆筒的应力计算
作用力： 由内压作用在端盖上产生轴向拉应力 ，称为经向应力或轴向应力； 由内压作用使圆筒向外均匀膨胀，在圆周切线方向所产生的拉力称为环形应力或周向应力，用表示 常为薄壁容器，筒壁较薄， 可认为 是均匀分布的，径向应力 可忽略不计
压力容器应力分析及其设计
压力容器应力分析及其设计引言压力容器是一种用于储存或运输压力流体或气体的设备，广泛应用于化工、石油、制药等领域。
由于其工作环境的特殊性，压力容器的设计和应力分析至关重要，直接关系到设备的安全性和稳定性。
本文将介绍压力容器应力分析的基本概念和方法，并探讨压力容器设计的一些考虑因素。
压力容器应力分析在压力容器的设计和使用过程中，应力分析是非常重要的一步。
应力分析的目的是确定容器的强度和稳定性，以确保其在工作压力范围内能够安全可靠地运行。
1. 基本概念在压力容器中，由于内、外侧的压力差异，容器壁面会受到应力的作用。
应力是物体内部原子或分子间相互作用的结果，它可以表现为拉伸、压缩、剪切等形式。
常见的应力包括轴向应力、周向应力和切向应力。
轴向应力是指沿着容器轴线方向的应力，周向应力是指沿着容器周向的应力，切向应力是指垂直于容器壁面的应力。
2. 应力分析方法压力容器的应力分析可以采用数值模拟方法或者经验公式计算。
数值模拟方法通常基于有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA），通过划分网格、建立数学模型并求解，得到各个位置的应力值。
经验公式计算相对简便，适用于一些简单几何形状的压力容器。
常用的经验公式有ASME VIII-1标准中的公式和欧洲标准EN 13445中的公式等。
无论采用数值模拟方法还是经验公式计算，都需要考虑容器的材料特性、内外压力、温度、容器几何形状等因素。
3. 应力分析结果的评估进行应力分析后，需要对分析结果进行评估。
常见的评估指标有应力强度安全系数、应力集中系数、损伤累积等。
应力强度安全系数是指容器的实际应力值与允许应力值之间的比值。
一般要求安全系数大于1，以确保容器在额定工作条件下不会发生破坏。
应力集中系数用于评估容器上的应力集中程度。
过高的应力集中系数可能导致局部破坏和疲劳寿命的降低。
损伤累积是指容器在循环荷载作用下承受的损伤累计量。
如果损伤累积超过一定限制，容器可能发生疲劳破坏。
论应力的分类及压力容器的设计发展
２ ． ２应力 分类的原则 以美 国 的 Ａ Ｍ ， 炉压力 容器 规范 第 Ⅷ Ｓ Ｅ锅 卷第一册诞生为标志 ，压力容器的设计方法发 生 了一次革命 ，从传统 的按规则设计 的方法过 渡到 以详细的应力分析与评定为设计基准 的更 高 阶段 。 分析设 计方 法 的核心是 将压力 容器 中 的 各种应力加以分类 ，分清主次 ，根据各类 应力 对容器安全性的影响程度 ，分别规定不 同的安 全系数 ，以保证设计产品 的安全性与经济性 压力容器在外载荷作用下 ，满足平衡条件 与变形协调条件后 ，容器各个部件 中的应力按 其性质 的不 同分为 以下 ３ 类 ２． ． １一次应力 ２ 是 由外载荷 的作 用而在 容器 部件 中产 生
探究压力容器设计方法的进步
用基 于屈服和基于爆破的实验进行设计。在 ＡＳ ＭＥⅧ一 ２里面， 对 于几 何 形状或应力状态 复杂且没有相 关公式可 以利用 的零件、 物料 来说 ， 则 必 我 国对压力 容器 的设计十分重视 ， 为了使压力容器在保证安全 的情 除此之外 ， 涉及疲 劳的还 要进 行疲劳评定， 例如 ， 在Ⅷ一 况下达到结构合理 、 便于 制造、 使用可靠 、 造价经济 、 ’ 技术先进等 目标 ， 先 须采用 分析 设计 ， ２第 Ｄ一 ７章 中明确指 出，圆形平 板要按附录 ４进行完整的应力分析 ； 在 后推 出了不同的设计方法 ， 为压力容器的设计及使用提供 了保障。 第 Ｄ一 ９章 中明确规 定， 对于以双头螺栓连接的连接件要按照 附录 ４和 ５ １压力容器设计方法的发展与进步 进行详细疲劳分析 。 压 力容器 的设计方法经历了公式设计 （ Ｄ Ｂ Ｆ ， Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｂ ｙ Ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ ｓ ） ， 分 这三种设计方法 中， 分析 设计法 师压力容器设计方法发展 中一个重 析 设计 （ Ｄ Ｂ Ａ， Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｂ ｙ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ） 和 实 验设 计 （ Ｄ Ｂ Ｅ， Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｂ ｙ Ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｆ — 要 的里程碑 ， 与 以往 的设 计方法 相比， 有很大的进步性 ， 其基础是应力分 ｍ ｅ ｎ ｔ ８ ） 这三种最主要 的设计方法 。 类。 然而 ， 欧盟标准 Ｅ Ｎ１ ３ ４ ４ ５鉴于采用 以计算机进行有限元分析 的发展 ， １ ． １公 式设计法 且鉴 于应力分类 日益突 出的困难 ， 因此提 出不再采用应 力分类 ， 而是根 公式设计的方法是 一种很 最基本的方法 ， 它利用 物理 学等相关领域 据失效模式采取直接路线 （ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｍ ｕ ｔ ｅ ） 分析方法。这是压力容器设计方 的各种 公式， 计算 出压力容器在 设计过程中的有关数据 ， 从而为其设计 、 法法发展中 ， 有一个重要的突破 。 制造 、 使用 等提供 依据。
压力容器应力分析设计方法的进展和评述
压力容器应力分析设计方法的进展和评述发表时间：2020-12-09T07:31:35.988Z 来源：《中国科技人才》2020年第23期作者：袁甜[导读] 对压力容器进行全面的设计与分析，是确保压力容器使用安全性以及促进其使用过程中的性能作用充分发挥的重要前提和基础。
中石油华东设计院有限公司北京分公司摘要：对压力容器进行全面的设计与分析，是确保压力容器使用安全性以及促进其使用过程中的性能作用充分发挥的重要前提和基础。
本文将结合压力容器使用过程中受载荷作用影响的应力与变形情况，针对压力容器的应力分析设计方法及其研究进展进行论述，以为有关实践及研究提供参考。
关键词：压力容器；应力分析；设计方案；研究进展；评述压力容器作为一种特种设备，主要用于液体、气体等的储存，并且它在使用过程中会承受一定的压力，对设备的安全性要求非常高。
因此，为确保压力容器的使用安全性，同时对压力容器使用过程中的性能作用充分发挥及其设计使用的安全寿命周期等进行保障，就需要加强对压力容器的设计分析与设计方法等进行严格控制和管理，从而避免各种压力容器设计与使用安全问题发生。
当前，为实现压力容器使用的安全性保障，对压力容器设计制造的结构合理性与制造简便性、使用可靠性、设计合理性、整体造价经济性等目标要求进行满足，我国有关部门也结合压力容器的设计制造和使用情况，进行了相应的标准、规范以及技术要求等制定，并不断从压力容器的设计制造和使用实际出发，对其进行改进和完善，为压力容器的设计制造和使用提供了较为全面依据和支持，具有十分积极的作用和意义。
下文将通过对压力容器使用过程中受载荷作用影响的应力与变形情况分析，针对压力容器的应力分析设计方法及其研究进展进行论述，以供参考。
1压力容器使用中受载荷作用影响的应力与变形情况分析结合压力容器的使用情况，其使用过程中所承受的载荷作用，主要是指能够对压力容器产生应力与应变作用影响的各种因素，比如地震载荷、压力作用以及风载荷等等，而压力容器的全寿命周期内所受到的载荷影响，主要表现由压力与非压力载荷、交变载荷等，在上述各种载荷作用中，压力载荷是最为基本的载荷因素，包含内压与外压载荷等，即对压力容器存在影响的绝对压力与表压。
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压力容器应力分析设计方法的进展和评述
压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。
其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。
压力容器概述
1.1.概念
所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。
贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。
1.2.用途
压力容器的用途十分广泛。
它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。
压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。
此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。
压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。
世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。
分析设计方法
在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。
它的特点是:
2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。
可以采用
理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。
2.2.强度校核时采用塑性失效准则。
包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。
用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。
2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。
2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。
综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。
近年来被简称为“应力分类法”。
早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。
随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。
最突出的表现为:
2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。
和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。
2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。
另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。
随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。
在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。
先进的材料、
工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。
应力分类法
3.1.应力分类法是当今分析设计的主流方法
应力分类法有如下优点:
3.1.1.简单。
采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。
应力评定时直接给出各类等效应力的许用值,因而应力分类后的强度校核与常规设计类似。
3.1.2.通用。
采用有限元软件可以对任何结构形状和载荷工况进行弹性应力分析。