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ASME压力容器分析设计-前言

作者:Kenny Shen ⁄ 时间:2015年01月01日 ⁄ 分类: 专著 评论:0

压力容器分析设计最早源自美国机械工程师协会的ASMEⅢ《核设施元件建造规则》,该协会于1968年发布ASMEⅧ-2《压力容器另一规则》。此后30年,各国纷纷参照ASMEⅧ-2制定本国的分析设计规范,但总的来说压力容器分析设计方法与上世纪六十年代相比变化并不大。

近15年来,国际上压力容器规范发生了巨大的变化。欧盟于1997年颁布承压设备指令PED,随后,2002年5月30日颁布与其配套的EN 13445《非燃烧压力容器》建造规范,提出了很多新理念和新观点,这对ASME压力容器规范来说,无疑形成了挑战。

为此,ASME提出要实现“VIII-2规范现代化”,重新改写原ASMEⅧ- 2,以抗衡EN 13445,并保持在压力容器设计规范方面的统治地位。这部2007年7月1日颁布的新版ASMEⅧ- 2前后制订历时多年,系统总结了近40年来分析设计方法在基本思想和基本理念方面的重大进展,吸收了诸多压力容器前沿技术,全面引入了数值分析方法和无需应力分类的弹-塑性分析方法,其主要特点如下:

以失效模式为主线编制分析设计的规则,考虑了4种失效模式:①整体塑性垮塌失效;②局部失效;③屈曲引起的垮塌失效;④循环载荷引起的失效,包括疲劳和棘轮。

全面引入数值分析方法(主要是有限元分析),对如何将数值分析应用于工程设计制定了一系列应该遵循的原则和步骤。规范所提供的各种设计和评定方法大部分都是以数值分析的结果为基础的。

弹性应力分析准则中的强度理论由第三强度理论改为第四强度理论。

除了继续应用弹性应力分析方法外,还对总体塑性垮塌、局部失效、屈曲垮塌和循环失效等4种失效模式全面引入了弹-塑性分析方法。无须进行应力分类的分析设计方法是压力容器设计现代化的热点。

提出了基于载荷和抗力系数设计(Load and Resistance Factor Design)概念的弹-塑性设计程序。

对于局部失效,提出了基于局部应变失效的新设计方法。这种方法无需应力分类。

对于屈曲垮塌,由于采用了数值分析方法,可以计算任意形状元件的屈曲载荷,包括弹性屈曲分析和弹-塑性屈曲分析。

针对焊接接头疲劳评定,提出了基于当量结构应力范围的评定方法,该方法对有限元网格不敏感,也是目前世界上最先进的疲劳评定方法之一。

当前,全球压力容器分析设计规范总体上分为两大体系,即美国的ASMEⅧ-2和欧盟的EN13445,其他各国的分析设计规范虽然有自身的特点和特色,但总的来说没有脱离这两部规范的体系。ASME锅炉压力容器规范已被100多个国家接受,作为满足当地压力容器法规的技术规范。在国内,美欧分析设计方法的工程应用也越来越受到业界的重视。截至2013年6月16日,我国已有695家厂商取得了1065张ASME授权证书,以更有利的参与全球市场竞争。但是,就分析设计方法的应用,我国压力容器分析设计人员面临着众多挑战,主要有如下几个方面:

①分析设计越来越普遍。相比常规设计(EN13445称公式设计),分析设计也变得越来越“常规”,这个趋势在最近几年尤其明显。EN13445(2009)附录B.1(直接法)中也写道:分析设计为任意元件在任意载荷下的设计提供了规则。其可作为公式设计的替代或补充。附录C.1(弹性分析和应力分类)中也有类似表述。EN13445没有将分析设计与常规设计分为两部规范,新版ASMEⅧ-2规范也在其第4篇中列入了“规则设计”。可预见,不久的将来,分析设计不再是一项“高级技术”,而只是一种与常规设计可相互替换和补充的设计方法而已,每个设计人员都应掌握。

②设计人员对计算机及程序的应用负责。ASMEⅧ-2前言中写道:委员会认为设计和分析所用的工具和技术是随技术进步而进步的,希望工程师在应用这些工具时做出可靠的判断。规范既不要求,也不禁止使用计算机来对按规范要求建造的元件进行设计或分析。但是,采用计算机程序进行设计或分析的设计人员和工程师应注意:他们要对所采用的程序中固有的一切技术性假设负责,且对设计中这些程序的应用负责。也就是说,规范只给出设计规则,至于用什么工具和技术由设计人员负责,这对设计人员而言确实是一项挑战。

③数值分析的精确性和正确性由设计者负责。ASMEⅧ-2中5.1.2.3节写道:(规范)对应力分析方法、元件建模及分析结果的证实均未提供建议。虽然设计过程中的这些方面是重要的,且在分析中必须加以考虑,但由于这些方法和设计过程的可变性,(规范)未提供这些主题的详细处理方法。但是,精确的应力分析包括所有结果的证实作为设计的一个部分必须提供。再如:ASMEⅧ-2中5.2.3节的极限载荷分析法和5.2.4节的弹-塑性分析法把极限(塑性垮塌)载荷定义为数值分析不收敛的那个点,但对非线性分析求解中的收敛准则没给出任何指导。EN13445(2009)附录C.1(弹性分析和应力分类)中也有类似表述:确定应力所采用的方法由制造者负责。

④商业有限元软件的功能强大而复杂。如:提供丰富的单元和分析类型;各种自动网格划分功能;应力线性化;应力分类;疲劳的前、后处理;焊缝的建模和评估;优化系统;专家系统;知识管理系统;甚至融入了质量管理体系。面对功能如此强大且仍在飞速发展的有限元软件,要对其熟练掌握,无疑是有一定难度的。

⑤规范与有限元法及程序的融合。目前分析设计绝大部分采用有限元法完成,但规范对如何运用有限元法来进行压力容器及其元件的设计和评估并未给出详细的指导和明示。例如在模型中如何设置边界条件或确定衰减长度;如何进行螺栓、焊缝、局部载荷、管口、支座、管板等的分析,如何进行后屈曲、总体塑性、安定、蠕变等高级分析,这些都没有给出详细指导。如何应用有限元软件来完成一个符合规范要求的分析成了设计人员必须掌握的技能。相比分析设计规范的制定,似乎应用有限元法来实施符合规范要求的分析更有难度。

⑥对有限元分析过程和结果的验证。相比其他的设计方法(如ASMEⅧ-2第4篇中的规则设计),基于有限元法的分析设计面临的一个主要问题就是对其过程和结果的正确性验证。分析过程中来自设计者或者软、硬件的主、客观不确定因素远多于解析法或公式法。通俗的讲,不同的人采用不同的软、硬件会得出不同的结果,比如屈曲分析中,由于单元类型或网格划分的不同,可能出现不同的屈曲模式和屈曲载荷。此类问题如何验证,规范没有给出指导,仅在其前言中提到:委员会……制定的规则,不能理解为以任何形式限制制造厂自由选择任何符合规范规则的设计方法和建造方式。换句话说,有限元分析法的不确定性是不可避免的,其过程和结果是否“符合规范规则”由设计者做出判断。

所以,对设计者而言,即使理解了规范条款,似乎还远远不够,还应掌握其他一些基本技能,如:了解工程现象及其相关的背景知识;能熟练使用有限元分析软件;能够将实际结构抽象为数值模型。简单的说,就是如何应用有限元软件来完成符合规范要求的分析和设计。这就要求分析设计人员要对设计规范有充分的认识,理解规范条款的理论基础和来源,了解有限元理论的知识,熟悉有限元软件的操作、计算原理及其与有限元理论的差异。设计者作为规范和工具间的桥梁,起着至关重要的作用,必须既懂规范又懂工具,否则,再先进的规范、再好的软、硬件设施也不能得出理想的设计方案,甚至还会带来安全隐患。

本书将围绕新版ASMEⅧ- 2第5篇分析设计的相关内容,系统介绍该部分的规范条款、理论原理、软件应用和工程实践,试图在规范和工具(有限元软件)之间架起一座桥梁。新版ASMEⅧ- 2全面引入数值分析方法(主要是有限元法),其大部分分析设计需要借助有限元分析软件来实现,本书中采用了ANSYS 软件的新一代仿真平台Workbench来完成各个实例的分析。本书对ANSYS Workbench平台的软件操作不做详细介绍,请读者参考其他专门介绍软件操作的书籍,但本书会介绍与分析设计密切相关的操作、设置和原理。关于理论基础知识,本书附录部分介绍了压力容器分析设计涉及的相关概念和基础知识,以便读者更好地理解规范条款的理论背景。
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