压力容器ANSYS分析与强度计算

  本书包括压力容器ANSYS分析与强度计算两部分内容。

  本书的特点是，采用美（ASME-Ⅷ-1、ASME-Ⅷ-2）俄（ГОСТ14249、ГОСТ 24755、ГОСТ 25859等），或中（GB150，JB4732）俄压力容器标准规范的优势互补，采用压力容器ANSYS分析，采用某些规范比ANSYS分析过程还要简便的手算方式，来进行压力容器的设计计算。

  在ANSYS分析方面，本书完整地给出有代表性的热壁加氢反应器的压力应力分析、热分析、热应力分析和耦合分析，高压空气储罐的疲劳分析，包括设计条件，建立几何模型，有限元模型，施加边界约束、载荷及求解，查看分析结果（变形和节点应力强度），设置路径，线性化处理，最后给出分析设计人员最关注的问题：按ASME-Ⅷ-2的应力分类识别和提取ANSYS分析结果进行应力叠加法和耦合法的应力强度评定。书中还给出ANSYS分析的点滴技巧和经验，及高压空气储罐自由网格与映射网格求解结果的比较。作者用ANSYS分析数据说明增大加氢反应器的热箱高度能降低热箱右圆角区的总热应力强度，这是最经济的有效方法。本书介绍了美国休斯顿应力工程顾问公司关于螺栓孔或内螺纹孔的存在导致法兰刚度降低，并给出法兰刚度减弱系数的确定方法。

  高压空气储罐接管的疲劳分析中，半球形封头上的接管，采用ASME-Ⅷ-2的应力指数法；圆筒上的接管，因超过应力指数法的尺寸限制，改用ГОСТ 25859钢制容器及设备低循环疲劳强度计算的规范和方法，它没有尺寸结构限制。这两种规范的手算方式均比接管与壳体相贯处ANSYS三维分析过程简便。ANSYS分析的内容详见本书第6、7、8章。

在强度计算方面，将介绍比ASME-Ⅷ-1、GB150有某些优势的俄罗斯压力容器最重要的基础标准和指导性文件，其规范有如下特点。

  1．在中、美、俄三国压力容器标准规范中，唯有ГОСТ14249容器及设备强度计算的规范和方法（见第1章）所确定的屈服极限的安全系数和强度极限的安全系数最低，暂从ГОСТ14249-80算起，屈服极限的安全系数nт =1.5，强度极限的安全系数nB =2.4，执行至今已有20多年。2000年，ASME-Ⅷ-1将强度极限的安全系数由4.0降到3.5[11]，这是过去50年中强度极限的安全系数第一次降低。ASME-Ⅷ-2-2007，将强度极限的安全系数由3.0降低到2.4，这时该标准的强度极限安全系数才与ГОСТ14249相同。与我国规范确定的安全系数比较见下表，其nB比我国的分析设计标准还要低。安全系数体现了技术进步，它综合了安全性与经济性的考虑。因此，在国际压力容器竞争中它是有竞争力的指标之一。

安全系数 ГОСТ 14249 GB150 JB4732

nт 1.5 1.6/1.5（高合金钢） 1.5

nB 2.4 3.0 2.6

  2．容器及设备元件强度计算的公式均基于极限载荷法，也就是说，除法兰连接的强度计算之外，所有受压元件强度计算公式都是采用极限载荷法推导出来的（见第1章第2节圆筒、封头和平盖计算公式的推导），由塑性极限分析得到的结果与GB150采用弹性失效准则，第一强度理论，薄壁中径公式推导结果，如圆筒、封头的计算公式，完全相同。这是一种可靠的简便方法。将极限载荷控制在允许的范围内，则压力容器结构和元件能安全可靠地使用，所定的安全系数将更能反映结构和元件具有的实际安全程度，也更能充分利用材料的塑性性能潜力。

这部分内容国内少见，对理论研究和标准研究均有重要的参考价值。

  3．稳定计算的现代方法是，将弹性范围内的临界应力与超过弹性极限的临界应力综合在一个解析式中（见第1章第3节公式的由来），GB150与ASME-Ⅷ-1一样，没有解决这一问题，而是采用两次查图分别取值（A、B），最后计算许用外压力的方法。因此，可用ГОСТ14249圆筒的许用外压力1个公式解决GB150要4个公式才能解决的弹性失稳长圆筒、弹性失稳短圆筒、非弹性失稳短圆筒和刚性圆筒等4种圆筒的外压计算（见第1章第5节【例2】）。压力容器工程技术人员使用ГОСТ14249对圆筒和锥壳分别给出的许用外压力、许用轴向压缩力、许用弯矩和许用横向力计算公式，以及它们联合载荷作用下的稳定校核公式，对于凸形封头，给出的许用外压力的计算公式，不用查图取值，完全能解决壳体稳定工程计算的各种问题。

ГОСТ14249的其他规定：如计算冲压成形的椭圆形封头，如果封头折边区的减薄量不超过计算厚度的15%，不考虑c3，就是说，标准允许椭圆形封头在折边区有小于计算厚度15%的减薄量存在，见第1章【例3】；以椭圆形和半球形封头直边高度的判别式，决定与圆筒连接的封头厚度的规定，椭圆形封头厚度可以小于与其连接的圆筒厚度；α1≤70°锥壳过渡段计算；α1＞70°锥形封头的计算等，这些都是GB150没有或超出其范围（对于锥壳α≤60°）的规定，体现了先进的技术水平。作者给出α1=75°锥形封头的壁厚计算，见第1章【例4】。

  4．ГОСТ 24755 容器及设备开孔补强计算的规范和方法（见第3章），它的先进的技术水平在于：第一，开孔率最大，就是说，设置在圆筒或锥壳上的接管内径可等于被开孔的圆筒内径或开孔处锥壳内径，即开孔率为1.0，这是世界主要国家的压力容器标准中开孔率指标最大的开孔标准规范，开孔率比较见下表。第二，ГОСТ 24755也是采用面积法补强，因为该标准规定了“壳体在没有多余壁厚条件下不要补强的开孔计算直径”，所以所需补强面积要减去不要补强的开孔计算直径所占据的面积。因此，所需补强面积要比GB150规定值小。GB150规定的所需补强面积中仍然埋藏且没有挖掘出来不要补强的开孔计算直径所占据的补强面积。从节约钢材来看，这是有很大经济效益的技术措施。在本书第3章第3节的【例2】中，作者以圆筒Di=2400mm，设置开孔接管内径d=2200mm，开孔率为0.916，超过GB150规定的大开孔补强计算为例，来说明标准的使用。

开孔率 ГОСТ 24755 GB150 ASME-Ⅷ-2

JB4732

圆筒、锥壳 d/Di ≤1.0 Di≤1500，d/Di≤0.5，且d≤520

Di＞1500，d/Di≤0.33，且d≤1000 ≤0.5

凸形封头  ≤0.6 ≤0.5 

该标准附录给出斜接管、切向接管等多种单个开孔补强和联合补强的图例及补强计算规定，允许在椭圆形封头和半球形封头的边缘区域开孔，且没有限制条件。

  5．低循环的概念是，载荷循环次数为103～5×105。对于低循环疲劳强度计算，俄罗斯压力容器专家不遵循ASME-Ⅷ-2的设计疲劳曲线的理论公式（见第4章理论公式的由来），认为该公式中的断面收缩率ψ数据分散，而是在此基础上开发出本国的计算疲劳曲线的实用理论公式，载入ГОСТ 25859（见第4章）。该标准有四大功能：一是已知许用应力［σ］、许用压力［p］和操作压力波动范围Δp，按表4.3-1查得考虑焊接形式的系数，按表4.3-2查得考虑局部应力的系数后，按图4.3-1至图4.3-3查得许用压力循环次数，没有结构尺寸限制，比应力指数法简便，见第4章第4节【例2】和第8章第6节；二是低循环疲劳强度的简化计算，直接给出应力幅的计算公式，查计算疲劳曲线图，或计算许用循环次数；三是低循环疲劳强度的精确计算，按板、壳、环、梁理论计算所考虑点的主应力，按给定公式计算应力幅，应力幅就是最大应力范围乘以 “有效应力集中系数”的一半，最后可按疲劳曲线图或直接计算许用循环次数；四是能解决设计的循环次数超过106的疲劳分析问题，如HDPE产品出料罐和吹出罐，按设计的循环次数6.7×106计算许用应力幅［σA］=65.3MPa，再将每个考虑点的应力幅≤［σA］，满足设计要求，不用外推ASME-Ⅷ-2的设计疲劳曲线就能解决工程设计问题（见第4章小结）。显然，ГОСТ 25859的功能比ASME-Ⅷ-2疲劳分析部分的功能强大，后者只能查图确定许用循环次数，且没有前者给出的一、二、四等三项功能。另外，JB4732规定，用理论的、实验的或有限元应力分析方法确定应力集中系数来评价局部结构不连续效应，而该标准却给出有效应力集中系数的计算公式，可直接采用。本书第5章还编入了指导性文件中载有的铝合金、铜、黄铜、钛、钛合金的计算疲劳曲线及其有关规定，这是非常珍贵且难得的所需设计规范，足够工程使用。该规范指出铝制容器及设备在低循环载荷作用下不须进行疲劳分析。

  6．俄罗斯压力容器标准，一是沿用ГОСТ标准，二是制修定新标准。俄罗斯国家标准是在ГОСТ之后加Россия的第一个字母Р，再加标准号和年号组成。如ГОСТ Р 51273-99塔式设备风载荷及地震载荷的计算，ГОСТ Р 51274-99塔式设备强度计算的规范和方法，均是对ГОСТ 24756-81和ГОСТ 24757-81的修订，详见本书第2章。塔式设备的稳定计算采用ГОСТ14249给出的稳定计算的现代方法。为了便于比较，作者按JB/T4710标准释义中的例1和例2的数据，采用ГОСТ Р 51273给出的等截面塔和变截面塔自振周期计算公式，按标准规定简化近似计算与例题计算，虽然计算旅途不同，但结果相同，强度计算和稳定计算的结果详见第2章的例题。这两项新标准为我国压力容器设计人员提供多一种塔式容器规范选择的可能，且不考虑按JB/T4710要求确定的，诸如“设计基本地震加速度，场地土类型，地震分组，地面粗糙度”等，对我国塔式容器标准研究也有重要的参考价值。

  7．第9章РД 26-16 容器及设备接管与壳体相贯处的应力计算方法，是世界各主要国家的压力容器规范中均没有创立的规范。它可填补我国便于手算求解接管与圆筒、锥壳、椭圆形封头和半球形封头相贯处（或带嵌入式焊接环，或带补强圈）应力计算规范的空白，是展现给压力容器分析设计人员解决接管疲劳分析的非常有用的工具。作者给出例题，指出接管疲劳分析的手算步骤。

В.И.拉奇科夫（В.И. Рачков）博士是莫斯科化工机械制造科学生产联合体、全俄化工机械制造科学研究设计院（НИИХИММАШ）的，全俄著名的压力容器强度专家，是多项标准的主编人。作者与他和该院的В.А.Заваров院长有多次书信交流，在此感谢他们的真诚帮助，并在标准中加注В.И. Рачков的提示。

  压力容器设计人员采用本书第1、2、3、4、5、9章强度计算的有关公式，使用GB150的钢号和许用应力，计算结果偏于保守，且解决了GB150目前不能提供的相应规范和方法的问题。

  GB150/3.4.4条有关液柱静压力的规定，它的出处就是ГОСТ14249/1.2.2条。只要考虑两条：一是允许椭圆形封头在折边区有小于计算厚度15%的减薄量存在；二是从所需补强面积中减去不要补强的开孔计算直径所占据的补强面积。我国每年将为压力容器制造节约大量钢材。

  作者认为：从ANSYS分析与强度计算的关系来看，采用第1章ГОСТ14249给出的稳定计算的现代方法，不必进行ANSYS稳定性分析；采用第3章ГОСТ 24755进行超标大开孔补强计算，不必对开孔区域进行ANSYS应力分析；对于容器及设备的应力分析，首选的是采用规范给出的某些元件，或组合元件的边缘载荷+压力联合作用的应力分析（不含峰值应力），对于疲劳分析，首选的是采用规范给出的某些结构最大的名义弹性应力的计算（如第4章ГОСТ 25859附录），或者按规范给出的基本元件、组合元件的应力分析解，再计入ГОСТ 25859给出的有效应力集中系数，求得应力幅，或采用ГОСТ 25859的功能解决低循环疲劳强度计算，也不必进行ANSYS疲劳分析；由于压力容器结构材质复杂，均为非标设备，规范给出的应力分析解只是有限的典型结构，在JB4732或ASME-Ⅷ-2中找不到适用于自己设计的组合壳体结构应力分析解，则采用不可替代的ANSYS分析，它能给出总应力强度最大值的节点所在位置；对于接管的疲劳分析，一般要进行三维ANSYS分析，并不简便，所以选择次序是，ASME-Ⅷ-2给出的应力指数法（简单且偏保守，有尺寸结构限制），РД 26-16方法（精确，有尺寸结构限制），ГОСТ 25859和接管与壳体相贯处ANSYS分析。见第8章，接管疲劳分析的手算方法与壳体ANSYS疲劳分析配合使用，这是解决工程问题的一种好方法，是美国休斯顿应力工程顾问公司常用的方法。

  压力容器设计人员选用国内外先进的压力容器标准规范，没有限制。

  本书可供压力容器设计、检验和使用环节的工程技术人员参考，也可供大专院校过程装备专业、锅炉专业和压力容器相关专业的师生参考，亦可作为ANSYS分析样例和设计计算手册使用。

  由于作者水平有限，对书中的错误，敬请专家和读者给予指正。

前言
第1章  容器及设备的强度计算 1
第1节  概述 1
第2节  采用极限载荷法推导圆筒、封头和平盖的强度计算公式[5] 1
第3节  容器及设备元件稳定计算的现代方法[5] 6
第4节  ГОСТ 14249容器及设备强度计算的规范和方法 13
第5节  计算例题 58
第6节  小结 68
第2章  塔式设备的强度计算 70
第1节  概述 70
第2节  ГОСТ Р 51273 塔式设备风载荷及地震载荷的计算 70
第3节  ГОСТ Р 51274塔式设备强度计算的规范和方法 79
第4节  计算例题 89
第5节  小结 97
第3章  大开孔补强计算 99
第1节  概述 99
第2节  ГОСТ 24755容器及设备开孔补强计算的规范和方法 99
第3节  计算例题 116
第4节  小结 122
第4章  钢制容器及设备低循环疲劳强度计算 123
第1节  概述 123
第2节  低循环疲劳强度计算的理论基础[5] 123
第3节  ГОСТ 25859钢制容器及设备低循环疲劳强度计算的规范和方法 126
第4节  计算例题 146
第5节  小结 148
第5章  有色金属容器及设备低循环疲劳强度计算 150
第1节  概述 150
第2节  РД 26-01-162有色金属容器及设备低循环疲劳强度计算的规范和方法 150
第3节  铜、黄铜、铝合金的许用应力和弹性模量[16] 156
第4节  РД 24.200.17-90钛制容器强度计算的规范和方法 157
第5节  小结 171
第6章  ANSYS分析基础 173
第1节  概述 173
第2节  ANSYS分析基础 173
第3节  Primary Stress和Secondary Stress的原意 186
第4节  总应力线性化处理 186
第5节  应力强度 186
第6节  对ANSYS分析结果给出的应力分类进行识别和提取 187
第7节  压力容器分析常用单元类型 189
第8节  法兰刚度的减弱系数 190
第9节  单位 190
第10节  小结 191
第7章  热壁加氢反应器ANSYS分析 192
第1节  设计条件 192
第2节  压力应力分析 193
第3节  热分析 225
第4节  热应力分析 235
第5节  第二次热分析 240
第6节  第二次热应力分析 245
第7节  间接耦合法求解压力应力+热应力的组合应力 249
第8节  应力强度评定 257
第9节  降低热应力的有效措施 261
第10节  小结 262
第8章  高压空气储罐ANSYS疲劳分析 264
第1节  设计条件 264
第2节  压力应力分析 265
第3节  按映射网格求解并与自由网格的结果比较 282
第4节  考虑法兰力矩 292
第5节  壳体疲劳分析 302
第6节  接管疲劳分析 307
第7节  小结 309
第9章  容器及设备接管与筒体和封头相贯处的应力计算方法 311
第1节  概述 311
第2节  РД 26-16容器及设备接管与壳体相贯处的应力计算方法 314
第3节  计算例题 339
第4节  小结 342
参考文献 344

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