应力分析设计标准和规则设计标准的主要区别

原创 胡伟明  2020-10-10 20:56:00  阅读 39 次 评论 0 条
摘要:

失效模式按规则设计规范的最初版本仅考虑过量的弹性变形,以后又陆续引入弹性不稳定,并通过材料许用应力取值中引入蠕变极限、持久极限而考虑了蠕变失效;规定在一定温度以下作为低温容器,要求作V型缺口冲击试验,并规定以冲击功的合格指标而考虑了脆性断裂;以要求针对不同介质合理选材而定性地考虑了腐蚀和应力腐蚀失效。而按分析设计规范则根据极限设计原理、安定性原理、热应力棘轮原理以及高应变、低循环疲劳原理又考虑了过量的塑性变形、塑性不稳定——递增的垮塌、棘轮以及高应变、低循环疲劳失效。所以,它能用于压力容器的疲劳

失效模式

按规则设计规范的最初版本仅考虑过量的弹性变形,以后又陆续引入弹性不稳定,并通过材料许用应力取值中引入蠕变极限、持久极限而考虑了蠕变失效;规定在一定温度以下作为低温容器,要求作V型缺口冲击试验,并规定以冲击功的合格指标而考虑了脆性断裂;以要求针对不同介质合理选材而定性地考虑了腐蚀和应力腐蚀失效。而按分析设计规范则根据极限设计原理、安定性原理、热应力棘轮原理以及高应变、低循环疲劳原理又考虑了过量的塑性变形、塑性不稳定——递增的垮塌、棘轮以及高应变、低循环疲劳失效。所以,它能用于压力容器的疲劳设计。

更为重要的是,针对各种所考虑的失效模式而比较详细地计算了受压元件的各种应力,并根据产生应力的原因、导出应力的方法、应力沿壁厚的分布特性以及应力存在区域的大小、各种应力对各失效模式所起不同作用而加以分类,对不同类别的应力针对相应的失效模式而给予不同的限制。

强度理论

由于历史原因,最初的压力容器规范前身是以许用工作压力进行设计的,在以后陆续引入的元件强度计算公式中,都沿用了最大许用工作压力的概念,即实际上采用了最大主应力理论。众所周知,对于延性较好的材料,采用最大能量理论和最大剪应力理论远比采用最大主应力理论为合适,即使在发展中的按规则设计规范也清楚这一点。但由于沿用习惯,宁可在别的方面加以调整,在强度理论上仍采用最大主应力理论,且一直保持至今。

从制订应力分析设计规范开始,一方面由于已认识到这一点,另一方面,由于引入了疲劳失效准则,由高应力(应变)、低循环疲劳机理和大量实验数据的整理结果可知,采用最大剪应力理论或最大能量理论远比最大主应力理论为合适,且由于最大剪应力理论使用方便,所以采用了最大剪应力理沦。

安全系数

由于分析设计原则上要进行详细的应力分析,并对不同类别的应力给出不同的限制条件,针对性强,所以可以采用较低的安全系数(较高的许用应力值)。

材料限定

由于分析设计引入了过量的塑性变形、塑性不稳定——递增的垮塌以及高应变低循环疲劳失效准则,即允许并承认元件在失效前产生一定量的塑性变形,所以它限定不能用于脆性材料;此外,对材料的性能、质量要求也相应提高,在分析设计标准中允许采用的材料种类远比规则设计标准为少,对有疲劳评定要求的容器,只能采用规范、标准已列有疲劳设计曲线的材料。因为目前尚难以对蠕变--疲劳的交互作用进行评定,所以材料的使用仅限于在可能发生蠕变的温度以下。

结构规定

由于分析设计原则上要对各处应力进行详细计算,并进行应力分类,所以目前只能对某些形状比较简单的元件按照这一思想进行详细的应力计算、分类,并用相应的限制条件予以限制,对这些元件,应力分析设计规范中都已列出了具体的壁厚计算公式或设计方法。对于某些结构比较复杂的元件,按照目前已有计算方法尚难以进行详细的应力计算,或难以按规范规定的原则进行分类,所以在应力分析设计规范中并未包括在规则设计规范中已成熟使用的某些元件。对规范中已列有设计公式或方法的元件,尽管总体上已贯彻了分析设计的总体思想,但是对其中的某些结构细节处,还是难以用一般方法详细分析,所以只能对结构细节作出某些限定。

对于不同厚度元件的对接,除对厚度差和削斜(或堆焊)过渡段作出限制外,还对材料性能(如许用应力、弹性模量等)作出限制,对开孔补强的补强件和壳体材料的性能也作出规定,如不满足,意指在压力或温差作用下可能引起较大的附加应力而必须对连接处进行详细的应力分析。

设计公式

对于某些常用的、形状比较简单的受压元件,如内压圆筒、球壳、凸形封头、锥壳、平封头和开孔补强等,分析设计规范按照应力计算、应力分类和对不同类别应力作出不同限制的原理,已直接列出了设计公式,按照这些公式或方法进行设计,即已体现了应力分析设计的思想,连同相关的有关材料、结构、制造检验等有关规定的遵守,即完成了应力分析设计。对内压圆筒、球壳和锥壳的设计公式而言,形式上似和规则设计的相应公式相差不多,但实质上其推导原理和限制条件是完全不同的;至于椭圆形和碟形封头,由于二者所计及的失效准则不同,所以其推导原理和公式形式就完全不同;对于开孔补强,分析设计规范中除还列有按弹塑性失效准则导出的另一种补强规则外,仅以等面积补强法而言,无论是对开孔形状、不需补强的条件、补强的有效范围和能起补强作用的面积等各方面,分析设计规范都体现了严格并定量的精神,和规则设计规范的为设计方便而作出比较简单的规定都有区别。

在稳定性设计中由于二者都采用弹性稳定理论,元件的压缩应力一旦达到临界值即导致失稳,为此,对压缩应力既不进行分类,又都采用同一限制条件。所以在外压设计中二者除个别具体结构规定外,其他内容完全相同。

对于法兰设计,二规范目前采用的仍然是Waters法体系,该法在计算法兰环、筒体等各处应力时已采用了环板、等厚圆筒、变厚圆筒三者相连接的边缘问题,而且已经体现了对不同的应力采用不同限制条件的思想,所以二者所列公式完全相同。但是,如果不采用Waters方法计算,而另作详细的应力分析(包括实验应力分析或有限元法等),则规范规定只适用螺栓的密封计算部分,对各处的应力校核、包括对螺栓的应力校核条件都不再适用。

对于分析设计规范中未列出设计公式的元件,规范并未禁止使用,只是未提供应力分析设计的整套方法,要求用户按照分析设计的思想,进行详细的应力计算并分类,对不同类别的应力给以不同的限制条件。这实际上把目前在分析设计中尚未有公认解决方法的内容留待用户自行理解、处理。

温差应力

虽然在二种规范有关载荷一项中都提及温差载荷,但在按规则设计规范的计算中都未提及。

从应力分类的基本出发点分析,温差应力属于二次应力Q,甚至是峰值应力F,在交变载荷作用下会导致疲劳积累损伤,所以分析设计规范在疲劳评定、开孔补强计算中都作出了明确规定,必须计及温差载荷。

制造允差、检验和试验要求

由于分析设计规范计及了峰值应力和疲劳评定,所以在元件制造的形状偏差上也要控制尽量使F类应力不致过大。例如,按规则设计时,内压圆筒及封头仅需满足不圆度要求,以保证不产生过大的附加应力;按分析设计、且当按规定需要进行疲劳评定时,内压圆筒及封头仅检查并控制不圆度尚不足以控制局部范围内的形状偏差,不能控制因局部范围内的形状偏差所引起的峰值应力,所以还要增加对A类接头棱角值的检查要求。

分析设计对对接接头,除少数特定者外,一律要求100%射线或超声检测;对角接接头,除少数特定者外也一律要求磁粉或渗透检测。所以在分析设计规范中,并无焊接接头系数的概念。

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