典型承压设备分析设计方法评议

Introduction

极限载荷分析(limit load analysis)是机械结构/构件设计过程中的一个重要工具，它保证了结构/构件在工作载荷下正常运行。极限载荷分析目的在于防止塑性垮塌。此外，它有利于结构/构件发生其它失效形式时的变形行为评估。通过采用适当的边界条件和几何行为，极限载荷分析可以能提供结构/构件在正常工况下的完整性评估。
极限载荷可以用弹塑性分析确定，主要用于简单的载荷和几何形状的情况。而且它需要花费了大量的时间，并且需要先进的计算重新计算。此外。在确定解决方案的收敛标准和极限载荷的条件方面，需要大量的投入和经验。机械结构/构件设计过程中计算非弹性数值解的复杂性和极限载荷的重要性，推动了简化算法的发展。目前，国内外学者已经研发了几种方法来计算极限载荷。这些方法有简单的分析过程，即线性弹性分析。通过几步简单的弹性计算寻找到结构/构件的上限或下限极限载荷。ASME 标准中已规定了一些准则来解释线性弹性分析的结果，以及对一次应力、二次应力和峰值应力进行分类。这些类别用来寻找设计载荷，以避免大多数的失效模式。非弹性分析可以用来验证分类的结果。除此之外，健全方法(robust methods)，利用迭代弹性分析来寻找精确的极限荷载解，在过去几十年里得到了广泛的发展。这些方法采用了弹性模量调整的近似方法，来研究应力再分配的程序，直到达到相应的崩溃状态分布为止。这类简化的方法可以适用于所有类型的几何模型和载荷工况类型。本书作者以典型承压设备为例，对现存的极限载荷确定方法进行了简单的评议。
本书以“河北省自然科学基金项目“核电站管道材料在热-机械载荷作用下的循环塑性行为及其本构模型的研究”、中国博士后科学基金项目“复杂载荷作用下压力管道的安定性及完整性研究”、和中央高校基本科研业务专项资金资助“压水堆一回路辅助管道用钢高温环境下循环塑性行为的本构描述及其有限元实现”为依托，将理论和仿真等手段相结合，针对典型承压设备在静载荷作用下的极限载荷进行系统的研究。研究成果能够为承压设备的设计和运行具有重要的理论意义和工程应用价值。
借出版之际，首先感谢我的硕士生导师高炳军教授。导师严谨的治学态度、渊博的理论知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及诲人不倦的师者风范值得我终生学习。在此，我还要感谢一直以来给予我无限恩情的父母，正是父母的悉心呵护和不断鼓励有了今天的我。
本书出版得到了河北省自然科学基金项目(No. E2018501022) 、中央高校基本科研业务专项(No.N182304009)和中国博士后科学基金项目(No. 2017M610171)的资助，在此一并表示感谢。
本专著是作者多年科研实践及教学经验的积累，虽经过不断修改完善，其疏漏之处在所难免。诚望广大读者及同行对本书的不足之处提出宝贵意见，使本书更臻完善。

ISBN

978-981-14-3028-2

CIP Data

National Library Board, Singapore Cataloguing in Publication Data

Name(s): 陈小辉 , 1982-.
Title: 典型承压设备分析设计方法评议= Assessment of analytical design method for typical pressure equipment / 陈小辉著.
Other title(s): Assessment of analytical design method for typical pressure equipment
Description: 第1版. | Singapore : 维泽科技出版社, 2019. | 附参考书目.
Identifier(s): OCN 1117322681 | ISBN 978-981-14-3028-2
Subject(s): LCSH: Pressure vessels -- Design and construction
Classification: DDC 681.76041--dc23

第 1 章绪论
第 2 章基于有限元法压力容器分析设计中应力分类的分析
2.1 应力分类法(弹性分析设计方法)
  2.1.1 防止承压设备发生总体塑性变形对一次应力的限定
  2.1.2 防止承压设备发生渐增塑性变形对二次应力的限定
  2.1.3 防止承压设备疲劳破坏对峰值应力的限定
2.2 应力分类法(弹性分析设计方法)的现状与评述
  2.2.1 应力分类方法(弹性分析设计方法)
  2.2.1.1 应力强度计算的三种方法
  2.2.1.2 应力线性化存在的问题
  2.2.2 应力分类研究的最新进展
2.3 基于叠加原理分离一次弯曲应力的方法验证
  2.3.1 利用叠加原理分离一次弯曲应力的方法
  2.3.2 验证方法
2.4 应力线性化算例
  2.4.1 法兰与筒体的连接结构验证
  2.4.2 平板封头与筒体的连接结构验证
  2.4.3 锥形封头小端与接管的连接结构验证
  2.4.4 球形封头与接管连接结构验证
2.5 分析讨论
2.6 本章小结
第 3 章壳单元应力线性化过程
3.1 壳单元与实体单元计算结果的应力线性化过程
  3.1.1 壳单元计算结果的应力线性化过程
  3.1.2 实体单元计算结果的应力线性化过程
3.2 算例——斜锥过渡区的应力分析
  3.2.1 有限元模型
  3.2.2 有限元计算结果
  3.2.3 应力分析结果比较
3.3 本章小结
第 4 章基于有限元法压力容器分析设计中直接法的分析
4.1 直接法
  4.1.1 塑性极限载荷确定方法
  4.1.2 小结
4.2 塑性极限载荷算例
  4.2.1 塑性极限载荷不同确定方法的比较
4.3 应力分类法确定极限载荷
  4.3.1 数值算例
  4.3.2 小结
4.4 弹塑性方法确定极限载荷
  4.4.1 数值算例
  4.4.2 塑性极限载荷确定方法的评议
4.5 本章小结
第 5 章基于有限元法压力容器分析设计中伪弹性法的分析
5.1 解析技术
  5.1.1 变分方法
  5.1.2 经典上限和下限理论
  5.1.3 新上限和下限理论
  5.1.4 参考应力方法
  5.1.5 嵌套面理论
  5.1.6 滑移线方法
  5.1.7 小结
5.2 规划方法
5.3 伪弹性分析方法
  5.3.1 极限分析方法
  5.3.2 极限载荷分析中的应用
  5.3.3 分析与讨论
  5.3.4 极限分析的算例
5.4 分析与讨论
5.5 本章小结
第 6 章结论与展望
参考文献

Author(s) Information

陈小辉，女，1982 年五月生，河北秦皇岛人，化工过程机械专业，毕业于天津大学，副教授。在东北大学秦皇岛分校工作 7 余年，主要研究方向：新型材料力学性能和机械结构完整性研究。