局部应力计算方法的对比研究_上_

Comparison and R esearch ofM ethods for Calculating Local Stresses ( )
Q in Shu jing
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W ang Q i
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(1. N ational T echnology C enter of Process Equipm ent, Shanghai 200040; 2. C ollege of M echanical Eng ineering, East China University of Science& T echnology, Shanghai 200237 ) Abstrac t In design o f pressure vessels , the forces and m oments executed to v esse ls from p ip ing o ften need to be taken into account .
第 45 卷第 4 期 2008年 8 月
化 工 设 备 与来自百度文库管 道 PROCESS EQU IPM ENT & P I PI NG
Vo l 45 N o 4 A ug 2008
压力容器
局部应力计算方法的对比研究 ( 上 )
秦叔经
( 1. 全国化工设备设计技术中心站 , 上海 摘
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王
琦
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200040;
, 该方法其后又经过多次修改 , 于 1979 、 2002 年
2. 华东 理工大学机械学院 , 上海
200237)
要 : 在压力容器设计中经常需要考虑管道通过接管而施加于 设备上的 力和力矩 , 这些外 力和外力 矩会在容器
与接管连接的局部区域产生高应 力 , 从而有可能使得 该区域 的强度 不够而 使容器 失效 。 长期 以来 , 工程中 计算局 部应力最常用的方法为 W RC 107 和 W RC 297 公报中提供的方法 。 当超出这两 个方法的范 围时 , 一般会采 用有限 元分析的方法 。 在 2002 年颁布的欧盟压力容器设计标 准 EN 13445 中 , 提供了 另一种局部 应力计算 方法 。 在这些 方法重叠的适用范围内 , 设计人员可以自行确定选用 哪一个 方法 。 通过 对这四 种方法 计算结 果的对 比 , 分 析这些 方法在工程应用中的安全性和经 济性 , 以给设计人员 在方法 选择时 提供参 考 。 通过对 大量算 例的结 果比较 , 可以 确定 , EN 方法的结果作 为壳体强度评定的依据是足够安全的 , 但不能 作为接 管强度 评定的 依据 ; W RC 297 方法的 应力计算结果一般总是偏于保守 ; 而 W RC 107 方法的结果 , 一方面没 有给出接管 的应力 , 另一方 面 , 在 大部分情况 下 , 计算得到的壳体应力往往偏小 。 从理论上讲 , 用有限元方法可以得到最可靠的应 力分析结果 , 但该 方法相对其 他方法而言 , 总是更费时费力 。 因此 , 通过 分析 , 对给定的壳体与接管连接结构及 载荷工况下 如何合理 选择另外三 种方法中的一种给出了 一些推荐意见 , 从而使得在保证安全的前提下 , 可以降低综合设计成本 。 关键词 : 局部应力 ; 计算方法 ; 强度条件 ; 作用力和力矩 文章编号 : 1009 3281( 2008) 04 0007 15 中图分类号 : TQ050. 2 文献标识码 : A
化工、 石化、 医药 等众多行业中 使用的压力容 器 , 总是要通过管道传输操作介质。由于管道受到 外载的作用 , 如管道金属温度的变化、 管道和介质的
收稿日期 : 2008 03 05 作者简介 : 秦叔经 ( 1950! ) , 男 , 教授级高工。长期从事压力容器设 计软件的开发工作以及应力分析的工作和研究。
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化
工
设
备
与
管
道
第 45卷第 4 期
自重、 地震引起的惯性力 以及风力等等 , 不可避免 地 , 管道将通过连接接管对容器作用力和力矩。这 种力和力矩将在容器和接管的连接区域产生比容器 上一般部位高得多的应力 , 在该高应力的作用下, 容 器和接管的连接部位可能由于局部过量的塑性变形 或低周疲劳而发生破坏。因此 , 许多学者和工程技 术人员早就开始注意这个问题 , 并对这个问题进行 了研究。W ichm an 等根据 B ijlaard 教授的研究结果 进行总结和修正, 于 1965 年在 WRC 107 公报上第 一次发表 了 适用 于 工程 设 计的 局 部应 力 计 算方 法
In v ie w of these forces andm oments, so m e high stresses , wh ich are the possib le source to m ake the structure fai,l m ay ex ist in the loca l area o f connec ting nozzle w ith she l. l For a long ti me , the most comm on m ethods app lied in eng ineer ing to ca lcu la te loca l stresses are tha t presented inW RC Bulletin 107 andW RC Bu lletin 297. F inite e lem ent analysis w ill a lso be used when the structure sizes are be yond the app licab le scopes o f the m e thods from W RC 107 andW RC 297. In European pressure vesse l des ign standa rd EN 13445 issued in 2002, anothe r m ethod for ca lculating loca l stresses was presented . W hen the struc ture s izes fall into the app licab le scope for a ll of these me thods, designer can chose one m ethod to fu lfill the ca lcu lation. In th is paper , based on the co m pa rison of the resu lts from these m ethods and analysis of the safety and the effectiveness when these m ethods we re used in eng ineer ing , the effo rtw asm ade to sup p ly eng ineers the re ference to se lect an appropriate one in practica l eng inee ring . T hrough the comparison fro m p lenty of ca lcu la ted re su lts , it can be conc luded tha t the m ethod presented in EN 13445 is sa fe enough as the bas is of eva luating the streng th of she lls , but cannot be used to eva luate the streng th o f nozzle . T he m e thod ofW RC 297 is always conserv ative for eva luating the strength o f she ll and nozzle . Ho w ever , the results fro m the m ethod o fW RC 107, in one hand, canno t be used to obta in the stress o f the no zzle , in the other hand , are often sma ller than prec ise ones in m ost cases . In theory , the results fro m fin ite ele m entm ethod are m ost precise . But , co m pared w ith othe r m ethods , this m ethod w ill also costm ore ti m e and m ore m oney . T hus , based on the analysis here in, so m e references w ere presented to he lp eng ineers, fo r a g iven structure , chose an appropr ia te one from the three m ethods othe r than fin ite ele m ent ana l ys is so as to decrease the design cost and keep the enough strength at the sa m e ti me . K eywords loca l stress; ca lcu la tion m ethod; streng th cond ition ; acting fo rce and m om ent
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体连接部位的应力分布。虽然有限元方法的使用对 结构尺寸也不存在任何限制, 但使用有限元方法将 大大提高设计成本 , 即使当前计算机的软、 硬件水平 都已达到相当的高度 , 使得应用有限元方法的方便 程度比以前已大有改进, 但大部分设计人员仍会愿 意选择公式设计的方法。那么 , EN 13445 提供的方 法是否有 可能在 压 力容 器设 计中 完全 替代 WRC 107 和 WRC 297 公报中的方法 ? 事实上 , 以上提及的四种方法都是应力分析方 法, 在压力容器设计中使用这些方法必须与一定的 强度条件相配合, 这样才能成为工程应用中的设计 方法。在这四种方法 中, W RC 107 方法、 WRC 297 方法和有限元方法计算得到的结果都以各个方向的 应力来表示, 因此, 在工程应用时 , 针对这三种方法 采用了同样的强度条件, 即在分析设计中普遍采用 的基于应力分类概念的强度条件。而 EN 13445 的 方法得到的结果既用极限载荷又用各向应力表示, 其对应的强度条件与其他三种方法所对应的强度条 件有所不同。于是 , 对于同样的结构, 当设计人员选 择不同的设计方法时, 将可能得到不同的结果。在 选择设计方法时, 设计人员应考虑如下问题 : ( 1) 结构和载荷条件是 否符合方法的 适用范 围? ( 2) 所选择的方法是否足够安全 ? ( 3) 所选择的方法与其他方法相比 , 是否有较 好的经济性? 由于 EN 13445的方法对结构尺寸的适用范围 比 WRC 107 方法和 WRC 297 方法的适用范围要宽 得多 , 因此 , 仅考虑这一点, EN 13445 方法是可能替 代 WRC 107 方法和 WRC 297 方法的。然而 , 考虑 第 ( 2) 和第 ( 3) 个问题时 , 答案就不是那么简单了。 本文将首先使用各种方法对各种不同结构形式、 尺 寸和载荷情况进行计算 , 将计算结果汇总进行对比。 然后 , 通 过 对 计 算 结 果 的 分 析 和 研 究 , 给 出 EN 13445 方法、 W RC 107方法和 WRC 297 方法的参考 适用范围。