有限元极限载荷分析法在压力容器分析设计中的应用2010

有限元极限载荷分析法在压力容器分析设计中的应用2010-07-15 10:39:54| 分类：分析设计| 标签：极限分析分析设计asme规范先进设计方法经验分享|字号大
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在某炼化一体化项目中，几个加氢反应器均采用分析法设计。

详细设计时，国内计算后，反应器的主要受压元件厚度均要比专利商建议的厚度多出10~30mm不等。

这其中有国内设计出于保守的考虑，另一个原因：同是采用分析设计，ASME的非线性分析相对先进一点。

参与国际竞争时，先进的设计方法值得我们研究。

1.背景
随着中国加入WTO，国内各工程公司正积极走向海外。

随之进入国际市场的压力容器产品也面临着严峻的挑战，为了在国际舞台上获得竞争优势，各工程公司必须采用先进的技术设计出更安全和更低成本的产品。

压力容器分析设计是力学与工程紧密结合产物，解决了常规设计无法解决的问题，代表了近代设计的先进水平[1]。

过去，国内分析设计通常采用弹性应力分析法，通过路径分析，应力线性化处理获得路径上的一次应力和二次应力，进而进行强度评定。

该方法主要存在以下问题：⑴对大多数情况是安全可靠的，但对某些结果可能出现安全裕度不足的情况（如球壳开打孔）；⑵如何对有限元法求解获得的总应力分解并正确分类遇到了困难。

假如把一次应力误判为二次，则设计的结果将非常危险，反之，把二次应力误判为一次，则又非常保守。

文[2]5.2.1.2节明确提到：应力分类需特殊的知识和识别力，应力分类方法可能产生模棱两可的结果。

国内专家亦也认为对应力进行正确的分类存在一定困难[3-6]。

以弹性分析代替塑性分析,是一种工程近似方法。

实际结构的破坏往往是一个渐进过程，随着载荷的增加，高应力区首先进入屈服，载荷继续增加时塑性区不断夸大，同时出现应力重新分布。

当载荷增大到某一值时，结构变为几何可变机构，此时即使载荷不在增加，变形也会无限增大，发生总体塑性变形（overall plastic deformation），此时的载荷称为“极限载荷（limit load）”。

极限载荷分析法（下文简称极限分析）的目的是求出结构的极限载荷。

在防止塑性垮塌失效时，极限分析相比弹性应力分析更接近工程实际，同时避免了应力分类，对防止塑性垮塌有比较精确的评定。

2．极限载荷的求解方法
塑性力学提出极限分析法由来已久。

经典的极限分析方法有如下3种[8]：(1)广义内力与广义变形法；(2)上限定理与下限定理法；(3)静力法和机动法。

经典解法的分析与计算均很复杂，只能应用于少数结构简单的压力容器元件，从而使极限分析的工程应用受到了限制。

上世纪七十年代出现三维有限元计算后，有限元的应用大大扩展。

为了适应工程需要，有限元极限分析应运而生，形成了分析设计中的一个重要分支，它使得复杂的塑性极限分析可以通过计算机数值计算得以解决。

在不久的将来，极限分析必与弹性应力分析法、弹-塑性应力分析法一同形成三足鼎立之势。

极限分析的模型精度和计算成本居后两者之间。

3．极限分析的应用现状
极限分析的设计理念很早就被写入了多部著名规范中有限元，如文[7] 5.4.2.1节：若给定载荷不超过结构塑性极限载荷的2/3，则在结构具体部位上不需要满足一次总体薄膜应力强度SI、一次局部薄膜应力强度SII和一次薄膜加一次弯曲应力强度SIII的许用极限。

但多年来，极限分析并未在压力容器分析设计中得到广泛应用，原因大概有如下几方面：
(1) 非弹性有限元分析比线性分析更为困难，它要求有极为庞大的计算机资源。

计算机软、硬件的欠缺阻碍了有限元极限分析的应用。

随着ANSYS等大型有限元软件的普及，计算机硬件的飞速发展，有限元的计算精度不断改善，耗费的计算机时不断缩减，这一问题已得到基本解决。

(2)极限分析的目的是预测结构的极限载荷，即结构失稳的载荷，计算中极限载荷点以何为判据，过去一直缺少统一的认识。

（3）过去规范中只是原则性的提及可以采用塑性极限分析，但没有给出合格准则、评定方法等的细则，设计者难以操作。

以上问题目前已得到了基本的解决，给极限分析的应用迎来了契机。

最后，值得一提的是：ASME采用有限元法和载荷阻力系数设计（LOAD RESISTANCE FACTOR DESIGN，LRFD）概念的新的弹塑性设计程序。

载荷阻力系数设计概念最初用于飞机设计。

以下是我参考过的资料，或许您感兴趣，可来信索取。

[1]JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》标准释义
[2]ASME-2007
[3]陆明万,徐鸿.分析设计中若干重要问题的讨论(二)[J].压力容器,2006,23(2):28-32
[4] 陆明万.关于应力分类问题的一些认识[J].化工设备与管道,2005,42(4):10-15
[5] 丁伯民.对分析设计方法发展的回顾和分析[J]. 压力容器,2008,25(9):15-19
[6] 丁伯民.对压力容器有关标准的一些看法[J].化工设备与管道,2008,45(2):2-3
[7]JB4732-95(2005年确认)
[8]李建国.压力容器设计的力学基础及其标准应用[M].机械工业出版社,2005
[9] 徐秉业,陈森灿.塑性理论简明教程[M].清华大学出版社，1981
以下资料我也觉得相当有价值，推荐给您，感兴趣，可来信索取。

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