第四章 压力容器设计44-46

1、1第第 四四 章章压力容器设计压力容器设计CHAPTER Design of Pressure Vessels2 4.1 概述概述 4.2 设计准则设计准则 4.3 常规设计常规设计 4.4 分析设计分析设计 4.5 疲劳分析疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展 4.4.3 应力强度计算应力强度计算4.4.4 应力强度限制应力强度限制 4.4.5 分析设计的应用分析设计的应用 4.4.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类 4.4.1 概述概述 本章节主要内容本章节主要内容4.4 分析设计分析设计34.4.1 概述概述4.4 分析设计分析设计 教学重点：教学重点： 压力

2、容器的应力分类。压力容器的应力分类。 教学难点：教学难点： 应力强度计算。应力强度计算。44.4.1 概述概述压力容器的设计压力容器的设计常规设计常规设计分析设计分析设计GB150钢制压力钢制压力容器容器JB4732 钢制压力容器钢制压力容器分析设计标准分析设计标准54.4.1 概述概述1、常规设计的局限性、常规设计的局限性:（1）载荷性质）载荷性质载荷载荷常规设计常规设计分析设计分析设计静载荷静载荷交变载荷交变载荷（2）应力计算）应力计算应力计算应力计算常规设计常规设计分析设计分析设计计算方法计算方法简单的公式计算简单的公式计算解析法解析法,数值法数值法, 实验法实验法研究的对象研究的对象壳

3、体壳体设备上的所有点设备上的所有点6（3）容器的结构形式）容器的结构形式标准标准常规设计常规设计分析设计分析设计结构形式结构形式某些规定的结构形式某些规定的结构形式任何结构任何结构2、分析设计的基本思想：、分析设计的基本思想：（2）如果能够对应力进行更严格而详细的计算）如果能够对应力进行更严格而详细的计算, 压力容器的设计压力容器的设计就能够做到更合理、更科学。就能够做到更合理、更科学。（1）不同种类的应力对容器失效的影响各不相同；）不同种类的应力对容器失效的影响各不相同；4.4.1 概述概述74.4.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类4.4.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类4.

4、4.2.1 应力分类应力分类 应力分类的依据应力分类的依据: 对容器强度失效所起作用的大小对容器强度失效所起作用的大小判断的依据判断的依据: (1) 应力的作用区域和分布形式应力的作用区域和分布形式 (2) 应力产生的原因应力产生的原因主要的应力形式主要的应力形式: 一次应力一次应力, 二次应力二次应力, 峰值应力峰值应力84.4.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类 定义定义: 为平衡外加机械载荷而产生的力为平衡外加机械载荷而产生的力; 必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系基本特征基本特征: 非自限性非自限性一次应力可分为一次应力可分为:

5、一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力 (Pm), 一次局部薄膜应力一次局部薄膜应力 (PL), 一次弯曲应力一次弯曲应力 (Pb)1、一次应力、一次应力 (P):94.4.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类一次弯曲应力一次弯曲应力(Pb)一次弯曲应力一次弯曲应力的一个典型实的一个典型实例是平封头中例是平封头中部在压力作用部在压力作用下产生的弯曲下产生的弯曲应力应力.一次应力一次应力薄膜应力薄膜应力一次总体薄一次总体薄膜应力膜应力 (Pm)一次局部薄膜一次局部薄膜应力应力 (PL)一次总体薄膜应力是在容器一次总体薄膜应力是在容器总体范围内存在的薄膜应力，总体范围内存在的薄膜应力，在容器筒体或封

6、头在整体范在容器筒体或封头在整体范围内发生屈服后，应力不重围内发生屈服后，应力不重新分配。一次总体薄膜应力新分配。一次总体薄膜应力的一个实例的一个实例 为承受内压的圆为承受内压的圆柱形筒体。柱形筒体。一次局部薄膜应力的例一次局部薄膜应力的例子有：在容器的支座或子有：在容器的支座或接管处由外部的力或力接管处由外部的力或力矩引起的薄膜应力矩引起的薄膜应力.104.4.2 压力容器应力分类压力容器应力分类定义定义: 分析区域内的最大应力值分析区域内的最大应力值基本特征基本特征: 不引起任何明显的变形，其有害性仅是可能引不引起任何明显的变形，其有害性仅是可能引 起疲劳或脆性断裂起疲劳或脆性断裂 2、二

7、次应力、二次应力 (Q)：定义定义: 由相邻部件的约束或结构自身的约束引起的应力由相邻部件的约束或结构自身的约束引起的应力基本特征基本特征: 自限性自限性3、峰值应力、峰值应力 (F)：114.4.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类表表 4-15 压力容器典型部位的应力分类压力容器典型部位的应力分类容器部件容器部件 位置位置应力的起因应力的起因应力的类型应力的类型符号符号圆筒或球形壳体圆筒或球形壳体远离不连续处的壳远离不连续处的壳体体内压内压一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力沿厚度的应力梯度沿厚度的应力梯度- -二次应力二次应力P Pm mQ Q轴向温度梯轴向温度梯度度薄膜应力薄膜应力-

8、-二次应力二次应力弯曲应力弯曲应力- -二次应力二次应力Q QQ Q与封头或法兰的连与封头或法兰的连接处接处内压内压局部薄膜应力局部薄膜应力- -一次一次应力应力弯曲应力弯曲应力- -二次应力二次应力P PL LQ Q在接管或其它开孔在接管或其它开孔附近附近外部载荷或外部载荷或力矩，或内力矩，或内压压局部薄膜应力局部薄膜应力- -一次一次应力应力弯曲应力弯曲应力- -二次应力二次应力峰值应力峰值应力P PL LQ QF F124.4.2 压力容器应力分类压力容器应力分类容器部件容器部件位置位置应力的起因应力的起因应力的类型应力的类型符号符号蝶形封头或锥形蝶形封头或锥形封头封头 顶部顶部内压内压

9、一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力一次弯曲应力一次弯曲应力P Pm mP Pb b过渡区或与筒体过渡区或与筒体连接处连接处内压内压一次局部薄膜应力一次局部薄膜应力弯曲应力弯曲应力- -二次应力二次应力P PL LQ Q平盖平盖中心区中心区内压内压一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力一次弯曲应力一次弯曲应力P Pm mP Pb b与筒体连接处与筒体连接处内压内压局部薄膜应力局部薄膜应力- -一次应一次应力力弯曲应力弯曲应力- -二次应力二次应力 P PL LQ QTable 4-15 压力容器典型部位的应力分类（续）压力容器典型部位的应力分类（续）134.4.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类R

10、o Ri O s sq q 平均应力平均应力 应力梯度应力梯度 图图4-56 内压厚壁圆筒环向应力的分解内压厚壁圆筒环向应力的分解 144.4.2 压力容器应力分类压力容器应力分类Ro Ri O s sq qt 当量线性应力当量线性应力 图图4-57 外加热厚壁圆筒环向热应力的线性外加热厚壁圆筒环向热应力的线性化处理化处理 峰值应力峰值应力 154.4.3 应力强度计算应力强度计算 1、应力强度、应力强度: 该点最大主应力与最小主应力之差。该点最大主应力与最小主应力之差。 五类基本的应力强度五类基本的应力强度: 4.4.3 应力强度计算应力强度计算 , ,ISIISIIISIVSandVS (

11、1) 一次总体薄膜应力强度一次总体薄膜应力强度 S， (2) 一次局部薄膜应力强度一次局部薄膜应力强度 S(3) 一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力（一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力（PL+Pb）强度）强度 S(4) 一次加二次应力（一次加二次应力（ PL+Pb +Q）强度）强度 S(5) 峰值应力强度峰值应力强度 S（由（由PL+Pb +Q+F算得算得）164.4.3 应力强度计算应力强度计算 2、应力强度计算步骤、应力强度计算步骤:(1) 在所考虑的点上，选取一正交坐标系，如经向、环向和法向在所考虑的点上，选取一正交坐标系，如经向、环向和法向分别用下标分别用下标 x, q q , z

12、表示，用表示，用x, 和和 z表示该坐标系中的表示该坐标系中的正应力，正应力，x、xz、z表示该坐标系中的切应力。表示该坐标系中的切应力。(2) 计算各种载荷下的各应力分量，并根据定义将各组应力分量计算各种载荷下的各应力分量，并根据定义将各组应力分量归入以下类别：归入以下类别： Pm, PL, Pb, Q 和和F。(3) 将各类应力按同种分量叠加，将各类应力按同种分量叠加， 分别得到：分别得到： 。mPLPbLPP QPPbLFQPPbL174.4.3 应力强度计算应力强度计算 (4) 计算主应力计算主应力 1, 2 和和 3，取，取 123.(5) 计算每组的最大主应力差计算每组的最大主应力

13、差3113sss13s各组的各组的 即为分别与即为分别与 mPLP,bLPP QPPbLFQPPbL,相对应的应力强度相对应的应力强度 ISIISIIISIVS和和 VS。 ,例题例题4-3见教材见教材P199184.4.4 应力强度限制应力强度限制4.4.4 应力强度限制应力强度限制1、设计应力强度、设计应力强度 :ssnststsnsbbnsSm= min (,)where ss 常温下材料的最低屈服点；常温下材料的最低屈服点；bs 常温下材料的最低抗拉强度常温下材料的最低抗拉强度; tss设计温度下材料的屈服点；设计温度下材料的屈服点； sn, , tsnbn为相应的材料设计系数为相应的

14、材料设计系数.JB4732钢制压力容器钢制压力容器分析设计标准分析设计标准规定规定5 . 1tssnn, 6 . 2bn194.4.4 应力强度限制应力强度限制2、极限分析和安定性分析、极限分析和安定性分析:全塑性全塑性(Mp)极限分析和安定性分析主要是为了确定应力强度许用值极限分析和安定性分析主要是为了确定应力强度许用值. ssssss虚拟弹塑性弹塑性弹性弹性(Me)Mbh图图4-59 纯弯曲矩形截面梁的极限分析纯弯曲矩形截面梁的极限分析（1）极限分析）极限分析 204.4.4 应力强度限制应力强度限制epspsesMMbhMbhMbhM5 . 14,6,622max2max，当达到全塑性状

15、态时，即时达到弹性失效状态，当最大应力sssssspbhMss5 . 162max极限状态下的虚拟应力所以弯曲应力的上限，即屈服点所以弯曲应力的上限，即屈服点s大于等于大于等于1.5Sm，分析设，分析设计标准中取一次弯曲应力（计标准中取一次弯曲应力（Pb）的上限为）的上限为1.5 Sm。214.4.4 应力强度限制应力强度限制（2）安定性分析）安定性分析 分析设计中将一次加二次应力强度限制在分析设计中将一次加二次应力强度限制在 3Sm 内内。s可见可见, 保证结构安定的条件是保证结构安定的条件是 ss12s,由于由于 ， s-ss ss e1 es 2ss s1 ees e1 esss s1

16、2ss B C B A O B F E C D B A O (b) 图图. 4-60 安定性分析安定性分析 msS5 . 1sssasss2)(1sss2122用工作载荷1.5KSm1.5KSm3SmSaKSm用设计载荷4.4.4 应力强度限制应力强度限制（3）应力强度限制）应力强度限制 PL+Pb+QSSSSPL+Pb+Q+FPLPL+PbSPm应力种类应力种类 一次应力一次应力二次应力二次应力 峰值应力峰值应力 总体薄膜总体薄膜 局部薄膜局部薄膜 弯曲弯曲 符号符号 Pm PL Pb Q F 应力分量应力分量的组合和的组合和应力强度应力强度的许用极的许用极限限 。K为载荷为载荷组合系数，组

17、合系数，范围范围1.0-1.25。234.4.5 分析设计的应用分析设计的应用4.4.5 分析设计的应用分析设计的应用1、压力容器应力分析设计的一般步骤、压力容器应力分析设计的一般步骤(1) 结构设计结构设计(2) 建立力学分析模型建立力学分析模型(3) 应力分析应力分析(4) 应力分类应力分类(5) 应力强度计算应力强度计算(6) 应力强度校核应力强度校核244.4.5 分析设计的应用分析设计的应用2、分析设计标准的应用、分析设计标准的应用 (1) 压力高，直径大的容器压力高，直径大的容器; (2) 受疲劳载荷作用的容器受疲劳载荷作用的容器; (3) 结构复杂或结构特殊的容器结构复杂或结构特

18、殊的容器. 常规设计标准和分析设计标准是两个相互独立的标准常规设计标准和分析设计标准是两个相互独立的标准. 它它们都可以用在压力容器的设计中，但两者不能混用。们都可以用在压力容器的设计中，但两者不能混用。 一般认为在下列情况之一，可考虑采用分析设计标准。一般认为在下列情况之一，可考虑采用分析设计标准。返回返回3、现有分析设计的局限性、现有分析设计的局限性详见教材详见教材P205。 25 4.1 概述概述 4.2 设计准则设计准则 4.3 常规设计常规设计 4.4 分析设计分析设计 4.5 疲劳分析疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展 4.5.1 概述概述4.5.2 低循环

19、疲劳曲线低循环疲劳曲线4.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计4.5.4 影响疲劳寿命的其它影响疲劳寿命的其它 因素因素本章节主要内容本章节主要内容4.5 疲劳分析疲劳分析264.5.1 概述概述4.5 疲劳分析疲劳分析教学重点：教学重点： 压力容器的疲劳设计。压力容器的疲劳设计。 教学难点：教学难点： 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线的修正的修正 。274.5.1 概述概述4.5.1 概述概述1、压力容器疲劳失效增加的原因、压力容器疲劳失效增加的原因:(1) 疲劳载荷的增加疲劳载荷的增加;(2) 高强度材料的广泛应用高强度材料的广泛应用2、疲劳失效的特点、疲劳失效的特点:(1) 没有明显

20、的塑性变形没有明显的塑性变形; (2) 应力水平低应力水平低; (3) 起源于局部高应力区起源于局部高应力区284.5.1 概述概述3、用于描述疲劳载荷的参数、用于描述疲劳载荷的参数: 最大应力最大应力 maxs最小应力最小应力 mins平均应力平均应力 ms交变应力幅交变应力幅 as应力比应力比 R )(21minmaxsssm)(21minmaxsssasssmaxmamaxmin/ssR1R即即 0ms对称循环对称循环； R=0 即即 0mins 脉动循环脉动循环； R=+1即即maxminss静载静载. 疲劳极限疲劳极限 1s294.5.1 概述概述高循环疲劳高循环疲劳: N105;

21、低循环疲劳低循环疲劳 : N=1021058 图图4-63 高循环疲劳曲线高循环疲劳曲线 s sa s s t s sa s sm s smax s smin 应力幅应力幅 s sa 103 104 105 106 107 10s s11 103 102 循环次数循环次数 N 图图4-62 应力循环曲线应力循环曲线 304.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线4.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线1、低循环疲劳计算曲线、低循环疲劳计算曲线 tESe21（4-92） NCpe（4-93）式中式中 fCe21e100100lnfeptfeeee; 分别为：真应变；总应变；塑性应变；弹性应变分别为

22、：真应变；总应变；塑性应变；弹性应变 断裂时的断面收缩率断裂时的断面收缩率 S虚拟应力幅虚拟应力幅 314.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线100100ln21C（4-94） epteeeeptEEESeee212121eaEes21apESse21（4-95） SENa4100100lnsSEN41001001lns（4-96） N时，时，a=-1324.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线循环次数循环次数N/次次10102103104105106102103104105应力幅应力幅 Sa/MPa 试验曲线试验曲线计算曲线计算曲线设计曲线设计曲线图图4-64 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线

23、334.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线2maxssm2、平均应力对疲劳寿命的影响、平均应力对疲劳寿命的影响 压力容器承受的主要载荷压力容器承受的主要载荷 (脉动循环载荷脉动循环载荷): 0minsGoodman 方程方程:11bmassss（4-97）E as ss bs ms O B D A1s Css 图图 4-65 平均应力的影响平均应力的影响: Goodman 直线直线 344.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线3、平均应力调整及当量交变应力幅的求法、平均应力调整及当量交变应力幅的求法 平均应力不等于平均应力不等于0 0的的交变应力幅交变应力幅s sa平均应力等于平均应力等于0

24、 0的交变应力的交变应力幅幅s sasmasss(1)bEmEaEeqssss/1（4-98）354.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线s sss s bs s a F F E O B D FCFeqss ss s FmEmFms ss ss s EaEeqFaEs ss ss s 图图4-66 平均应力的调整平均应力的调整 364.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线smasssss2(2)bFasFaFeqsssss/ )(1（4-99） 374.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线 s smax=s sm+s sa asms ss ss s P C B A s sa s sa e e

25、s s O ss s2 ss s 图图4-67 sss ss ss s2max 时应力应变关系时应力应变关系384.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线s s s smax=s sm+s sa 0 ms s P F F E C D B A s sa s sa e e O ss s 2ss s ss s 图图4-68 当当 a+m2s时应力应变关系时应力应变关系394.5.2 低循环疲劳曲线低循环疲劳曲线 smasss2(3)02 ssmsss，不需要调整不需要调整 as. 4、低循环疲劳曲线的修正、低循环疲劳曲线的修正 FeqbsbFeqFassssss（4-100） 404.5.2 低循环疲

26、劳曲线低循环疲劳曲线104 应力幅应力幅 Sa /MPa 102 103 105 106 10 105 104 103 102 循环次数循环次数N/次次 平均应力平均应力=0 经最大平均应力经最大平均应力 修正后修正后 图图4 - 69 经平均应力修正后的疲劳曲线经平均应力修正后的疲劳曲线 414.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计4.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计 (1) 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计 压力容器疲劳设计应在一次应力强度和一次加二次应力压力容器疲劳设计应在一次应力强度和一次加二次应力强度满足限制条件的前提下进行，其基础是应力分析。目前，强度满足限

27、制条件的前提下进行，其基础是应力分析。目前，疲劳设计方法主要有三种，即基于试验的疲劳设计、以断裂疲劳设计方法主要有三种，即基于试验的疲劳设计、以断裂力学为基础的疲劳设计和采用设计疲劳曲线的疲劳设计。力学为基础的疲劳设计和采用设计疲劳曲线的疲劳设计。a.基于试验的疲劳设计基于试验的疲劳设计 所设计的压力容器的应力循环次数应小于疲劳试验得到所设计的压力容器的应力循环次数应小于疲劳试验得到的循环次数，试验用容器和所设计的容器应一致。此设计的循环次数，试验用容器和所设计的容器应一致。此设计成本高，一般用于方案设计，以及在腐蚀、高温等特种条成本高，一般用于方案设计，以及在腐蚀、高温等特种条件下使用的压力

28、容器疲劳设计。件下使用的压力容器疲劳设计。424.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计b.以断裂力学为基础的疲劳设计以断裂力学为基础的疲劳设计 假设初始裂纹尺寸，根据断裂模型确定最终裂纹尺假设初始裂纹尺寸，根据断裂模型确定最终裂纹尺寸，再利用合适的裂纹扩展速率计算公式，推算出断裂寸，再利用合适的裂纹扩展速率计算公式，推算出断裂发生时的循环次数，要求计算出的循环次数大于压力容发生时的循环次数，要求计算出的循环次数大于压力容器所需要的循环次数。该方法已列入器所需要的循环次数。该方法已列入ASME -3，用于用于超高压容器设计。超高压容器设计。434.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳

29、设计c. 采用设计疲劳曲线的疲劳设计采用设计疲劳曲线的疲劳设计 设计疲劳曲线有两类。一类是以应力范围设计疲劳曲线有两类。一类是以应力范围R定义的疲定义的疲劳强度，设计疲劳曲线为应力范围和应力循环次数的关系劳强度，设计疲劳曲线为应力范围和应力循环次数的关系曲线，即曲线，即R-N曲线，见教材图曲线，见教材图4-70。另一类是以应力幅。另一类是以应力幅Sa定义的疲劳强度，设计疲劳曲线为应力幅和应力循环次数定义的疲劳强度，设计疲劳曲线为应力幅和应力循环次数的关系曲线，即的关系曲线，即Sa -N曲线。曲线。JB4732、 ASME -2等规范等规范标准均采用标准均采用Sa -N曲线。曲线。444.5.3

30、 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计 交变应力幅的确定交变应力幅的确定先通过应力分析确定与时间相对应的各应力分量先通过应力分析确定与时间相对应的各应力分量 ，再计算各主应力及主应力差，然后确定在整个应力循环中各再计算各主应力及主应力差，然后确定在整个应力循环中各主应力差的最大波动范围，其中绝对值最大的波动范围的一主应力差的最大波动范围，其中绝对值最大的波动范围的一半即为交变应力幅半即为交变应力幅 。 采用采用Sa -N曲线的疲劳设计主要包括确定交变应力幅、根曲线的疲劳设计主要包括确定交变应力幅、根据交变应力幅由疲劳设计曲线确定允许循环次数、疲劳强度据交变应力幅由疲劳设计曲线确定允许循环次数、

31、疲劳强度校核等。校核等。FQPPbLaltS454.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计 用设计疲劳曲线计算允许的循环次数用设计疲劳曲线计算允许的循环次数 JB4732提供了循环次数在提供了循环次数在106以内、抗拉强度在以内、抗拉强度在552MPa以下及以下及793896MPa之间的两类碳素钢、低合金钢的之间的两类碳素钢、低合金钢的设计疲劳曲线（使用温度不超过设计疲劳曲线（使用温度不超过375oC，如图如图4-71所示）以所示）以及奥氏体不锈钢及高强度螺柱材料的设计疲劳曲线。这些曲及奥氏体不锈钢及高强度螺柱材料的设计疲劳曲线。这些曲线均根据应变控制的低循环疲劳试验曲线，经最大平均应力

32、线均根据应变控制的低循环疲劳试验曲线，经最大平均应力影响的修正，取安全系数而得。影响的修正，取安全系数而得。464.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计图图4-71 温度不超过温度不超过375的碳钢、低合金钢的设计疲劳曲线的碳钢、低合金钢的设计疲劳曲线循环次数循环次数 N/次次10102103104102103104105106许用应力幅度许用应力幅度 Sa MPa注注 (1) E=210103 MPa (2) 对抗拉強度介于对抗拉強度介于552896 MPa用用內插法內插法MPab552sMPab896793s474.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计在在ASME及我国的标

33、准中，应力幅的安全系数为及我国的标准中，应力幅的安全系数为2，疲，疲劳寿命的安全系数为劳寿命的安全系数为20，此值是三项系数的乘积：数据分散，此值是三项系数的乘积：数据分散度度2尺寸因素尺寸因素2.5表面粗糙及环境因素表面粗糙及环境因素4。 484.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计疲劳强度校核疲劳强度校核上面计算出的交变应力幅上面计算出的交变应力幅Salt应作设计温度的校正，若应作设计温度的校正，若设计疲劳曲线注明的材料弹性模量为设计疲劳曲线注明的材料弹性模量为Et，则设计温度下的交则设计温度下的交变应力幅为变应力幅为 。由。由 在相应材料的设计疲劳曲线在相应材料的设计疲劳曲线上查

34、出对应的允许循环次数上查出对应的允许循环次数N，它不应小于由容器操作条件它不应小于由容器操作条件所给出的预计循环次数所给出的预计循环次数n，否则须采取措施降低峰值应力，否则须采取措施降低峰值应力，重新设计。重新设计。 taltaltEESSaltS494.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计（2）变幅载荷与疲劳累积损伤变幅载荷与疲劳累积损伤 压力容器在实际运行中所受的交变载荷幅有时是随时压力容器在实际运行中所受的交变载荷幅有时是随时间变化的，其大小载荷幅的作用顺序甚至是随机的，若总间变化的，其大小载荷幅的作用顺序甚至是随机的，若总按其中的最大幅值来计算交变应力幅就太保守。对于变幅按其中

35、的最大幅值来计算交变应力幅就太保守。对于变幅疲劳或随机疲劳问题，工程上普遍采用线性疲劳累积损伤疲劳或随机疲劳问题，工程上普遍采用线性疲劳累积损伤准则来解决。准则来解决。 504.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计设一压力容器所受的各种交变应力幅为设一压力容器所受的各种交变应力幅为 、 、 ，它们单独作用时的疲劳寿命分别为它们单独作用时的疲劳寿命分别为N1、N2、 。 若若 、 、 作用次数分别为作用次数分别为n1、n2、 ，则各则各交 变 应 力 幅 对 结 构 造 成 的 损 伤 程 度 分 别交 变 应 力 幅 对 结 构 造 成 的 损 伤 程 度 分 别为为 、 、 。线性疲

36、劳累积损伤准则认为各交。线性疲劳累积损伤准则认为各交变应力幅造成的损伤程度累计叠加不应超过变应力幅造成的损伤程度累计叠加不应超过1，即，即 （4-101） 1aS2aS3aS3N1aS2aS3aS3n11/Nn22/ Nn33/ Nn1332211NnNnNnNnii514.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计 显然，线性疲劳累积损伤准则认为累积损伤的结果与显然，线性疲劳累积损伤准则认为累积损伤的结果与不同交变应力幅作用顺序无关，而实际上作用顺序是有影不同交变应力幅作用顺序无关，而实际上作用顺序是有影响的，例如高应力幅作用在前，造成应力集中区屈服，卸响的，例如高应力幅作用在前，造成应力

37、集中区屈服，卸载后便会产生一定的残余压缩应力，这将使以后的低应力载后便会产生一定的残余压缩应力，这将使以后的低应力幅造成的损伤程度下降，因此在这种情况下，累积损伤可幅造成的损伤程度下降，因此在这种情况下，累积损伤可以超过以超过1。不过压力容器在设计时很难预测在使用中不同。不过压力容器在设计时很难预测在使用中不同交变载荷的作用顺序，鉴于线性累积损伤准则计算方便，交变载荷的作用顺序，鉴于线性累积损伤准则计算方便，工程上仍大量使用。如果考虑作用顺序及其它因素的影响，工程上仍大量使用。如果考虑作用顺序及其它因素的影响，问题则复杂得多，目前尚无成熟的理论和方法。问题则复杂得多，目前尚无成熟的理论和方法。

38、 524.5.3 压力容器的疲劳设计压力容器的疲劳设计（3）容器不需要做疲劳分析的规定）容器不需要做疲劳分析的规定JB4732规定，对于常温抗压强度规定，对于常温抗压强度b0.00034时的温度波动循环次数。时的温度波动循环次数。534.5.4 影响疲劳寿命的其他因素影响疲劳寿命的其他因素4.5.4 影响疲劳寿命的其他因素影响疲劳寿命的其他因素（1）容器结构）容器结构 应力的大小对压力容器的疲劳寿命起决定性的作用。结构应力的大小对压力容器的疲劳寿命起决定性的作用。结构中有可能引起应力集中的部位，都会影响容器的疲劳寿命。中有可能引起应力集中的部位，都会影响容器的疲劳寿命。应力集中导致容器疲劳承载

39、能力降低的程度可用疲劳强度减应力集中导致容器疲劳承载能力降低的程度可用疲劳强度减弱系数弱系数 来表示，来表示， 的定义为的定义为 fKfK缺口试件在N次循环次数下破坏时的应力无缺口试件在N次循环次数下破坏时的应力Kf =544.5.4 影响疲劳寿命的其他因素影响疲劳寿命的其他因素（2）容器表面性能容器表面性能 疲劳裂纹一般在容器表面上形核，容器表面状态对疲劳疲劳裂纹一般在容器表面上形核，容器表面状态对疲劳寿命有显著的影响。粗糙表面上的沟痕会引起应力集中，改寿命有显著的影响。粗糙表面上的沟痕会引起应力集中，改变材料对疲劳裂纹形核的能力。残余应力会改变平均应力和变材料对疲劳裂纹形核的能力。残余应力

40、会改变平均应力和容器的疲劳寿命。压缩残余应力可提高疲劳寿命，拉伸压力容器的疲劳寿命。压缩残余应力可提高疲劳寿命，拉伸压力残余应力则起降低作用。提高容器的表面质量、在表面引入残余应力则起降低作用。提高容器的表面质量、在表面引入压缩残余应力都是提高压力容器疲劳寿命的有效途径。压缩残余应力都是提高压力容器疲劳寿命的有效途径。 554.5.4 影响疲劳寿命的其他因素影响疲劳寿命的其他因素（3 3）环境）环境 许多压力容器并非在室温下承受交变载荷，因此，应考虑许多压力容器并非在室温下承受交变载荷，因此，应考虑温度对容器疲劳寿命的影响。在低于材料蠕变温度的范围内，温度对容器疲劳寿命的影响。在低于材料蠕变温

41、度的范围内，温度升高，容器的疲劳寿命下降，但不严重，可以通过温度对温度升高，容器的疲劳寿命下降，但不严重，可以通过温度对材料弹性模量的影响来反映。如果温度超过蠕变温度，容器受材料弹性模量的影响来反映。如果温度超过蠕变温度，容器受蠕变和交变载荷联合作用，情况会变得非常复杂，目前尚缺乏蠕变和交变载荷联合作用，情况会变得非常复杂，目前尚缺乏足够的实验数据。因此，分析设计标准要求设计温度低于钢材足够的实验数据。因此，分析设计标准要求设计温度低于钢材蠕变温度。蠕变温度。 564.5.4 影响疲劳寿命的其他因素影响疲劳寿命的其他因素腐蚀性介质对容器的腐蚀表现在使容器表面的粗糙度增腐蚀性介质对容器的腐蚀表现

42、在使容器表面的粗糙度增加、降低材料抗疲劳性能以及减小容器有效承载截面、提高加、降低材料抗疲劳性能以及减小容器有效承载截面、提高实际工作应力，从而使得容器的疲劳寿命大大降低。腐蚀与实际工作应力，从而使得容器的疲劳寿命大大降低。腐蚀与交变载荷联合作用所引起的腐蚀疲劳是压力容器最危险的失交变载荷联合作用所引起的腐蚀疲劳是压力容器最危险的失效形式之一，但由于腐蚀介质的多样化，使得对腐蚀和交变效形式之一，但由于腐蚀介质的多样化，使得对腐蚀和交变载荷共同作用下的研究变得十分复杂，尚未形成规范，因而载荷共同作用下的研究变得十分复杂，尚未形成规范，因而分析设计标准中未考虑腐蚀对钢材抗疲劳性能的影响。分析设计标

43、准中未考虑腐蚀对钢材抗疲劳性能的影响。 返回返回57 4.1 概述概述 4.2 设计准则设计准则 4.3 常规设计常规设计 4.4 分析设计分析设计 4.5 疲劳分析疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展 4.6.3 计算机辅助设计计算机辅助设计 4.6.2 优化设计优化设计 4.6.1 可靠性设计可靠性设计 4.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展本章节主要内容本章节主要内容584.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展4.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展教学重点：教学重点： 新的设计思想的介绍。新的设计思想的介绍。 教学难点：教学难点： 无。无

44、。594.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展4.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展简要介绍压力容器的简要介绍压力容器的 优化设计优化设计计算机辅助设计计算机辅助设计 可靠性设计可靠性设计604.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展设计参数：强度指标、零部件的尺寸、所受的载荷等。设计参数：强度指标、零部件的尺寸、所受的载荷等。目前设计状况：把各种参数作为确定量，忽略了由于各目前设计状况：把各种参数作为确定量，忽略了由于各 种条件的变化而使这些参数发生变化的种条件的变化而使这些参数发生变化的 随机因素。随机因素。设计的压力容器及零部件的结构尺寸偏大，设计的压力容器及零部

45、件的结构尺寸偏大，造成不必要的浪费。造成不必要的浪费。导致导致4.6.1 可靠性设计可靠性设计614.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展 设计中考虑各种随机因素的影响，将全部或部分设计中考虑各种随机因素的影响，将全部或部分参数作为随机变量处理，对其进行统计分析并建立统参数作为随机变量处理，对其进行统计分析并建立统计模型，运用概率统计方法进行设计计算，全面描述计模型，运用概率统计方法进行设计计算，全面描述设计对象，使结果更符合实际情况。设计对象，使结果更符合实际情况。可靠性设计定义：可靠性设计定义：特点：用概率统计方法进行设计特点：用概率统计方法进行设计624.6 压力容器设计技术进展

46、压力容器设计技术进展判据：应力作用效果大于强度，则设计对象失效；判据：应力作用效果大于强度，则设计对象失效； 反之，设计对象可靠。反之，设计对象可靠。可靠性设计的几个概念：可靠性设计的几个概念：（1）（2）（3）失效可能：可靠性设计中，认为所设计的对象总存在失效可能：可靠性设计中，认为所设计的对象总存在 着一定的失效可能。着一定的失效可能。应力：施加于装置或零部件上的物理量，如各种机械应力：施加于装置或零部件上的物理量，如各种机械 载荷、热载荷、介质特性等，所有可能引起设计对载荷、热载荷、介质特性等，所有可能引起设计对 象失效的因素，一概称之为应力。象失效的因素，一概称之为应力。强度或抗力：所

47、有阻止设计对象失效的因素，即装置强度或抗力：所有阻止设计对象失效的因素，即装置 或零部件能够承受这种应力的程度称为强度或抗力。或零部件能够承受这种应力的程度称为强度或抗力。634.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展4.6.2 优化设计优化设计一、传统设计过程一、传统设计过程拟定一个设计方案拟定一个设计方案判断是否满足规范和预先规定的要求判断是否满足规范和预先规定的要求进行结构分析，计算出各种载荷作用下的结构响应进行结构分析，计算出各种载荷作用下的结构响应形状规则的承压元件，利用规范标准中的计算公式形状规则的承压元件，利用规范标准中的计算公式确定尺寸，对局部结构则根据经验确定形状和估算

48、尺寸确定尺寸，对局部结构则根据经验确定形状和估算尺寸调整形状或尺寸，重新进行计算校核调整形状或尺寸，重新进行计算校核满足要求满足要求不满足要求不满足要求644.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展当影响设计的因素很多当影响设计的因素很多时，只能得到有限候选时，只能得到有限候选方案中的最好方案，不方案中的最好方案，不可能得到一切可能方案可能得到一切可能方案的的“最优设计方案最优设计方案”。结果：结果：传统设计方法仅限于传统设计方法仅限于方案比较，是一个试方案比较，是一个试凑的过程。凑的过程。654.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展二、压力容器优化设计二、压力容器优化设计根据最

49、优化原理和方法综根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机合各方面的因素，以人机配合方式或配合方式或“自动探索自动探索”方式，在计算机上进行的方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下的最出在现有工程条件下的最佳设计方案。佳设计方案。优化设计（最优化设计）优化设计（最优化设计）设计方法：最优化数学方法设计方法：最优化数学方法设计原则：最优设计设计原则：最优设计设计手段：计算机及设计手段：计算机及 计算程序计算程序664.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展压力容器优化设计：压力容器优化设计： 在给定基本结构形式、材料和载荷的情况下，确定结构的

50、形在给定基本结构形式、材料和载荷的情况下，确定结构的形状或尺寸，使某项或几项设计指标取得最优值。状或尺寸，使某项或几项设计指标取得最优值。实质：在满足一定约束的条件下，选取适当的设计变量，使目实质：在满足一定约束的条件下，选取适当的设计变量，使目 标函数的值最小。目标函数可以是最轻重量、最低寿命周标函数的值最小。目标函数可以是最轻重量、最低寿命周 期费用、最小应力集中系数和其它指标。期费用、最小应力集中系数和其它指标。优化设计可以在保证压力容器安全的情况下，有效减轻优化设计可以在保证压力容器安全的情况下，有效减轻压力容器重量、降低成本、延长寿命。压力容器重量、降低成本、延长寿命。674.6 压

51、力容器设计技术进展压力容器设计技术进展 约束条件大致可分为两类：设计变量上的尺寸限制和状态约束条件大致可分为两类：设计变量上的尺寸限制和状态参数的限制。常用等式或不等式表示。参数的限制。常用等式或不等式表示。设计变量尺寸限制：设计变量尺寸限制：源于生产工艺上的要求源于生产工艺上的要求和原材料的供货状况，和原材料的供货状况，如钢板厚度、卷板机的如钢板厚度、卷板机的卷板能力等；卷板能力等；状态参数的限制：状态参数的限制：来源于设计规范、标准、来源于设计规范、标准、连续性、相容性等要求，连续性、相容性等要求，如应力不能超过许用应如应力不能超过许用应力、许用外压应大于设力、许用外压应大于设计外压等。计

52、外压等。 684.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展 如带标准椭圆形封头的圆筒形立式储罐，为节省材如带标准椭圆形封头的圆筒形立式储罐，为节省材料，优化设计时常以最小质量为目标函数。料，优化设计时常以最小质量为目标函数。 约束条件一般包括：约束条件一般包括：满足容积要求；封头和筒体的厚度应满足强度、最小满足容积要求；封头和筒体的厚度应满足强度、最小厚度和钢板规格要求；内直径应在容器公称直径中选厚度和钢板规格要求；内直径应在容器公称直径中选取等。取等。质量是内直径、长度、厚质量是内直径、长度、厚度等设计变量的函数度等设计变量的函数694.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展4.6

53、.3 计算机辅助设计计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）技术得到了普遍推广应用技术得到了普遍推广应用 压力容器属于多品种、单件或小批量生产的产品，采用压力容器属于多品种、单件或小批量生产的产品，采用CAD技术，设计师可以更方便地表达设计思想，减少简单技术，设计师可以更方便地表达设计思想，减少简单重复劳动，缩短设计周期和交货期，提高设计的效率和质重复劳动，缩短设计周期和交货期，提高设计的效率和质量。量。目前压力容器的目前压力容器的CAD系统中系统中参数化设计参数化设计模块化设计模块化设计704.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展模块综合：根据具体设计要求，

54、进行功能分解，即从模块集模块综合：根据具体设计要求，进行功能分解，即从模块集 中选择合适的模块实现分解功能，并最终将分功中选择合适的模块实现分解功能，并最终将分功 能模块组合形成产品。能模块组合形成产品。模块化设计：模块化设计：在功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过在功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块选择与组合，在一定范围内根据不同功能构成不同性能、模块选择与组合，在一定范围内根据不同功能构成不同性能、不同规格的系列产品。不同规格的系列产品。优点：缩短概念设计周期，提高产品的灵活性和适应性，快优点：缩短概念设计周期，提高产品的灵活性和适应性，快 捷地响应用户的多品种、小批量的需求。捷地响应用户的多品种、小批量的需求。模块化设计包括：模块的创建和模块的综合两个过程。模块化设计包括：模块的创建和模块的综合两个过程。模块创建：功能模块的划分过程和功能模