欧盟压力容器标准EN 13445分析设计标准概述定稿

欧盟压力容器标准EN13445分析设 计标准概述苏文献 上海理工大学化工过程机械研究所 2006年8月21日 哈尔滨

前言欧盟标准化委员会用了9年时间，起草了欧盟非 直接接触火焰压力容器标准草案prEN13445。该草 案于1999年提交各成员国评议。在2002年3月为欧 盟成员国正式表决通过了修改后的标准EN13445, 并于同年5月30日颁布了该标准第一版。 EN13445-3有两个附录介绍分析设计 即附录B和C。 本文介绍欧盟压力容器标准EN13445分析设计标 准的思想思路和基本内容。

1 欧盟对当前分析设计的考虑1.1 应力分类法(弹性方法)的现状与问题 1.2 直接方法(非弹性方法)的现状与问题

1.1 应力分类法(弹性方法)的现状与问题 基于应力分类法(弹性方法)的分析设计要 求将应力分类成一次应力、二次应力和峰值应力， 再根据各类应力对承压设备失效的危害性的差异 采用不同的设计准则加以限制。 有限元分析是基于弹性理论而不是薄壳理论得 到应力数值解，如何将这些应力数值解分类成一 次应力和二次应力并进行评定就非常困难。 在过去的40多年中，分析设计标准所涉及的分 析设计方法未作原则上的调整和修改。同时应力 数值解的评定未作十分明确规定。

如何对应力进行分类就成为分析设计重要的 工作之一。早期的应力分类方法主要是等效线性 化处理法，包括：点处理法、线处理法和面处理 法。后来，相继提出了广义的局部应力应变节点 重新分布法、弹性补偿法和一次结构法等。 分析设计最初引入时，在承压设备设计中主 要的分析方法是薄壳不连续分析，它是基于薄壳 理采用有限元法进行承压设备响应分析计算后， 由于有限元分析是基于弹性理论而不是薄壳理论 得到应力数值解，除壳体特别薄以外，应力沿壁 厚呈非线性分布。

以Hechmer和Hollinger等为代表的美国压力 容器研究委员会(PVRC)开展了三维应力 数值解评估技术研究，但难以取得突破性 进展。究其原因，是迄今为止仍未解决以 下几个问题： (1)应力分类线或面如何选择 (2)哪些应力分量应当线性化 (3)三维有限元分析中的应力如何线性化

1.2 直接方法(非弹性方法)的现状与问题分析设计规范中，优先选择弹性计算的 是因为弹性分析简单，手段成熟，计算成本 低。但现在这些不是分析设计中要考虑的主 要问题。 分析设计中的非弹性分析方法就是采用 极限分析及安定性分析的方法直接对载荷加 以限制，而不对弹性名义应力进行分类。 1.2.1 极限分析 1.2.2 塑性分析

1.2.1 极限分析 极限分析是假设材料为理想弹塑性(或理想 刚塑性)、结构处于小变形状态时，研究塑性极 限状

态下的结构特性。 极限分析的上、下限定理可以用来确定结构的 极限载荷，通常是根据下限定理来求结构的下限 极限载荷。只有比较简单的问题如轴对称结构的 简单容器、环板才能求得其极限载荷。对一些复 杂的结构还无法求出极限载荷的解析解。数值解 多数是根据有限元法和数学规划法相结合而建立 的。

极限条件往往又是非线性的。因此，只有比较简 单的问题如轴对称结构的简单容器、环板才能 求得其极限载荷。由于塑性理论模型的复杂及 解非线性方程的困难，到目前为止，对一些复 杂的结构还无法求出极限载荷的解析解。随着 有限元技术和数学规划方法的发展，近二十年 来极限分析的数值方法获得了迅速发展。目前 已建立了多种有关的算法格式，除弹塑性有限 元中的逐步加载法外，大多数格式主要是根据 有限元法和数学规划法相结合而建立的。

为了克服弹塑性增量有限元法的困难，提出了许 多求极限载荷的简化分析方法： (1) R. Seshadri提出的广义的局部应力应变节点重 新分布法[GLOSS] 与真实的极限载荷差别 较大 (2) D. Mackenzie和J. T. Boyle首先提出的弹性补 偿法 求得极限载荷的值比用弹塑性分析求 得的值小11%~20%,其准确性受网格密度和 单元阶的影响非常大

(3)数学规划法的编写也困难

理解比较困难，有限元程序

1.2.2 塑性分析 承压设备的塑性分析，就是通过采用试验或 非线性有限元法计算而获得结构上关键部位的载 荷—应变(或变形)曲线，然后采用不同的准则确 定塑性载荷。 根据载荷—应变(或变形)曲线确定塑性载荷 值的准则主要有：0.2%残余应变准则、两倍弹性 变形极限准则、1%塑性应变准则、两倍弹性斜率 准则、双切线准则、零曲率准则等。

(1) 双切线准则 该准则是由Save提出的。该准则的不足之处 是切线交点不位于载荷—变形曲线上，根据此 准则确定的塑性载荷是通过外推的方法 (2) 1%塑性应变准则 该准则是由Townley等提出的。用该准则确定 承压设备的塑性载荷与所选承压设备的测量点 的位置关系极大。 (3) 两倍的弹性变形准则 ASME锅炉压力容器规范第VIII篇1974年版曾 采用该方法作为设计准则。求出来的塑性载荷 误差比较大。

(4) 两倍的弹性斜率准则

自1975年至今，ASME锅炉与压力容器规范 一直采用的准则。的分散性。但多数情况下塑 性载荷值偏于保守。 Kirkwood 和Moffat对受内压作用的直径相 等的三通结构进行了极限载荷的计算，得出对 于给定的结构按两倍的弹性斜率准则得到的塑 性载荷是不确定的。 Arturs Kalnlns和Dean P. Updike对承受 内压作用的锥形封头、碟形封头与球冠形封头 进行了

塑性分析，认为：对同一构件，当选用 不同的载荷—应变(或变形)曲线时，按两倍 的弹性斜率准则确定的塑性载荷误差最大。

(5) 0.2%残余应变准则 该准则曾经被ASME1971年版采用。在由 实验确定载荷—最大应变曲线时，由于最大应 变不易直接测出，故此法实用性并不强。 (6) Demir & Drucker 准则 Demir和Drucker于1963年建议取实验极限载荷 为实际位移等于弹性响应变形(即假设材料仍 为初始弹性响应时的变形)的三倍时的载荷。 此定义的实质就是三倍弹性斜率准则。 (7) 三倍弹性变形准则 Schroeder将弹性响应的变形取为切线交点变 形，并定义塑性载荷为载荷—变形曲线上测定 变形等于3倍弹性变形时的载荷。

(8) 塑性功准则

该准则是由Gerdeen于1979年提出的。 他建议参数选择原则是：载荷参数与相对 应的变形参数的乘积表示功，例如：力和 位移、弯矩和转角。这时，载荷—变形曲 线下的面积就表示载荷对容器所做的功， 总的功由弹性功和塑性功组成。 塑性功可以用来判断在确定塑性载荷时的变形参数。 9) 零曲率准则 该准则是由陆明万教授等提出的，作为对双切 线准则的改进。是一个不含任何人为系数的准 则。

上面提到的确定塑性载荷准则都是根据载 荷—变形曲线存在显著塑性流动阶段的特 点，通过给出一定的系数，在曲线上做出 一些特征线，以此来确定塑性载荷。这里 就存在一个问题，即显著的塑性流动阶段 是根据载荷—变形曲线上的某些特征来定 性分析的，并没有从量上进行分析。以下 这些情况下并不能根据其膝部末端来表征 显著的塑性流动的开始。

(1)在结构存在几何强化的情况下，对有些较 薄的板壳结构必须考虑大变形的效应。 (2)在结构存在几何弱化的情况下，若大变形 引起几何弱化效应将出现弹塑性失稳情况， (3)在结构出现微弱局部垮塌的情况下，可能 出现了两个膝部。 (4)对于同一结构，按照不同的确定塑性载荷 的准则计算的塑性载荷其结果差别较大。

陆明万教授等对带径向接管的球形容器通过内 压试验，根据零曲率准则来确定其塑性载荷， 分析了布置在接管的同一平行圆但母线不同 的两组电阻应变片的测量结果。理论上讲， 在各个测点处，它们的曲线本应该相同，但 因局部几何形状的影响，实 …… 此处隐藏：1854字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……