目录
1 残余应力 (1)
1.1 残余应力的定义及分类 (1)
1.2残余应力的本质 (1)
1.3残余应力的影响 (1)
2 残余应力的消除方法 (3)
3 残余应力的测定与评估 (4)
3.1无损检测法 (5)
3.1.1 钻孔法 (5)
3.1.2 环芯法 (6)
3.1.3 剥层法 (6)
3.2无损检测法 (6)
3.2.1 X射线衍射法 (6)
3.2.2 中子衍射法 (7)
3.2.3 超声波法 (8)
3.2.4 磁测法 (9)
1 残余应力
1.1 残余应力的定义及分类
构件在进行各种机械工艺加工过程中，如铸造、压力加工、焊接、切削、热处理、装配等，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，会使工件内部出现不同程度的应力，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。可以说残余应力就是是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。残余应力是一种固有应力，按其作用的范围来分，可分为宏观残余应力与微观残余应力等两大类：①宏观残余应力，又称第一残余应力，它是在宏观范围内分布的，它的大小、方向和性质等可用通常的物理的或机械的方法进行测量；②微观残余应力属于显微事业范围内的应力，依其作用的范围细分为两类，即微观结构应力（又称第二类残余应力，它是在晶粒范围内分布的）和晶内亚结构应力（又称为第三类残余应力，它是在一个晶粒内部作用的）。
1.2残余应力的本质
一般认为残余应力是能量储存不均匀造成的，是材料内部不均匀塑形变形的结果，其本质是晶格畸变，晶格畸变很大程度上是由位错引起的。在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力，但是，如果从本质上讲，残余应力是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，形成了不均匀的变形，金属内部需要达到平衡而形成的相互作用。产生不均匀变化的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化及不均匀的相变。如金属合金在淬火过程中,内部形成很大的残余应力, 机械加工后破坏了这些残余应力的平衡状态, 所以零件产生变形。当零件刚性较大, 形状对称时, 变形较小。反之,则变形十分明显。在工件内部实际应力的情况是复杂的，有众多位错的相互作用，还有空位等点缺陷及晶界、亚晶界的影响，所以，实际工件内部残余应力是众多因素导致的晶格畸变的综合结果。
1.3残余应力的影响
机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重大的影响。低碳钢在硝酸盐中的“硝脆”，奥氏体不锈钢在氯离子溶液中的“氯脆”，锅炉钢在碱溶液中的“碱脆”，黄铜在带有氨气气氛中的“氨脆”等等属于应力腐蚀开裂，所有这些应力腐蚀主要是由于
残余应力引起的。
尺寸稳定性是表示材料在热处理与加工完毕后，在工作环境下不受外力作用或在低于弹性极限的应力作用下抵抗永久变形的能力以及在加工过程中保持尺寸不变的能力。一般认为，长期存放过程中金属尺寸的自发变化是以下因素的结果：①材料的相与组织状态的不稳定性；②在各种热加工与冷加工工艺过程中以及在机械装配操作时零件中发生残余内应力的松弛；③Paquin等认为性能的不均匀性即各向异性材料导致材料在加热过程中诱发残余应力的松弛，也是尺寸不稳定性的一个内应。在仪器仪表制造业、航空工业中以及宇航工业，构件的尺寸稳定性性能越来越难以适应现代精密仪表设计的要求。在一个高精度的陀螺和罗经系统中, 其任意元件的尺寸不稳定都可能导致其质心的偏移, 而质心的偏移本身将会产生一个错误的信号, 这会在制导系统中引入误差, 直接影响制导精度。在宇航这一应用领域,10- 6 乃至10- 7数量级的微小塑性应变都将成为重要的误差来源。薄壁零件加工过程中，由于变形难以保证加工精度，造成材料的浪费和产品报废，直接影响到企业的生产效率及经济效益。宇航产品为了减轻零件的重量, 形状大都为高筋薄壁, 因装配的需要, 还有部分半环。这类零件, 残余应力引起的残余变形的后果是非常严重的。这种或大或小、或拉或压的残余应力即使只产生在很薄的表面层中，但却在很大程度上影响零件的强度、硬度、疲劳强度、抗腐蚀性等，从而进一步影响机械产品的使用寿命。
残余应力问题一直受到人们的关注。在机械加工过程中，外力和温度变化引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因。在铸造、锻造、焊接及各类切削加工过程中，工件均会由于受外力和温度的作用而引起残余应力。残余应力的产生、叠加及释放过程造成零件内部应力状况的重新分布，就可能影响零件的尺寸和形位精度以及零部件的装配精度，降低零件的抗疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力，最终影响到机器设备的性能与使用寿命。因此，分析残余应力的产生机理、探究有效的残余应力测试方法与改善零件中残余应力状况具有非常重大的意义。事实上，在各工业领域如机械、水利水电、热电核电、航空航天、石油化工、冶金、铁路、交通等行业，残余应力测试技术及其应用研究始终受到高度重视，特别是加人世贸组织以来，为了与国际接轨，残余应力测试已成为许多行业必需的检验和控制手段。
2 残余应力的消除方法
由于残余应力会对构件质量产生诸多不良影响，故相关专业人士对如何消除展开了诸多研究并且系统化提出了消除和控制构件中残余应力的方法。残余应力消除的方法一般有以下几种，各种方法效果也不尽相同。
（1）机械拉伸法消除应力的原理是将淬火后的合金板材，沿轧制方向施加一定量的永久拉伸塑性变形，使拉伸应力与原来的淬火残余应力叠加后发生塑性变形，使残余应力得以缓和与释放。
（2）振动消除残余应力法的工作原理是用便携式强力激振器，使金属结构产生一个或多个振动状态，从而产生如同机械加载时的弹性变形，使零件内某些部位的残余应力与振动载荷叠加后，超过材料的屈服应力引起塑性应变，从而引起内应力的降低和重新分布。
（3）脉动法通过在零件上施加一定载荷和频率，呈周期变化的循环载荷，可以有效释放零件的残余应力。
（4）时效消除法，一般有以下几种。①自然时效，将构件露天放置于室外，经过几个月甚至几年的时间使残余应力发生松弛，从而使构件尺寸精度获得稳定。该方法简单易行，但生产周期长，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，而且只能降低少量的残余应力。②人工热时效，热时效工艺要求比较严格，升温和降温的速度对热时效的效果影响很大。该法是目前生产中应用最广泛、效果最好的一种应力消除方法。但耗能大、成本高且污染严重；同时时效温度的提高，将使金属内部强化相析出过多，必然明显降低强度指标，产生过时效现象，因此，淬火后时效处理通常在较低温度(小于200～250℃)下进行，因而影响了应力消除效果（仅为10～35％)。③振动时效，它是在激振器的周期性外力(激振力)的作用下，使构件共振，进而松弛残余应力，提高构件的松弛刚度，使其尺寸稳定的方法。该法成本低、设备简单、时间比较短，可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。已在生产上得到一定的应用。④声波时效法，超声波时效法首先在前苏联诞生，并在发达国家得到推广。该方法起先主要应用于船舶、核潜艇、航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。但是由于超声波法只能解决构件表层一定深度内的应力问题，所以相对应用环境较窄，且成本颇高。⑤热冲击时效法，其实质就是将工件进行快速加热，使加热过程中
造成的热应力正好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限引起塑性变形，从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。
（5）深冷处理法，按工艺可划分为深冷急热法与冷热循环法两种。其中深冷急热法是将含有残余应力的零件浸入液氮中深冷，待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射，通过急热与急冷产生方向相反的热应力，借以抵消原来的残余应力场。
（6）脉冲磁场消除残余应力，MPS公司开发出一项以非热方式消除金属中残余应力的技术，称之为脉冲磁处理( Pulsed Magnetic Treatment, PMT )。借助PMT，可使金属中的组织缺陷得到改善,从而使零件中的残余应力得以消除。从微观分析的角度来说, PMT对提高或改善金属零件的尺寸稳定性；耐磨性与耐蚀性也有作用，对金属材料的磁滞后特性、疲劳、扩散以至相变等特性也会产生重大影响，该技术在冷拔管材、焊接件、丝材和弹簧等制品的残余应力消除应用中,已获得飞速发展。
（7）爆炸法。是利用爆炸冲击波的能量使构件应变区产生塑性变形，从而达到降低或消除残余应力的目的。该法常用于焊接构件，爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力，根据需要还可以在焊接区造成残余压应力。
（8）其它方法，打压法、锤击、喷丸、滚压等。喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化零件的手段，喷丸的同时也改变了表面残余应力状态和分布，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。
上述方法中外机械拉伸(压缩)法可达90％左右，恒温时效法10～35％，振动消除法20～70％，深冷处理法25％～83％。因此，现有工艺技术与方法尚无法从根本上消除合金结构件锻件毛坯中的残余应力。
3 残余应力的测定与评估
实际生产中，准确把握构件的残余应力的分布十分必要，一般可通过计算或直接实验测定得到。欲了解构件残余应力的分布，特别是一些比较复杂构件的残余应力分布，采用计算方法有时将遇到种种困难，臀如有时因缺乏材料的一些机械性质与物理性质的有关信息而导致计算工作无法进行。因此，采用实验测试方法是有实用意义的。
残余应力的测试方法很多，按其对于被测构件是否具有破坏性而言，可分为有损检测（包括部分损坏检测法和全部损坏检测法）与无损检测两大类。
3.1无损检测法
有损检测法主要有钻孔法、取条法、切槽法、环芯法、剥层法、剖面法与裂纹法，目前应用最多的是钻孔法和环芯法，该方法是部分或全部的去掉测点周围的材料组织即去掉了对该点的约束，使应力全部或部分释放。实际操作中是将欲测构件，利用机械加工的方法(如钻孔等)，使其因释放部分应力而产生相应的位移与应变，盆测这些位移或应变.经换算，得知构件加工处原有的应力。因此，这种测试方法又称为机械侧试法或应力释放法。
3.1.1 钻孔法
钻孔法在我国又称为小孔法或盲孔法经多人的研究与改进，现在已经发展成为一项比较成熟的通过钻小孔测量构件残余应力的方法和技术。其基本思想是在具有残余应力的构件上钻一小孔，使孔的领域内由于部分应力释放而产生相应的位移和应变，测量这些位移或应变，经换算得到转孔处的原有的应力。它在工程上得至广泛应用，其最大特点是对试件损伤小，甚至不影响构件的正常使用。假定一块各向同性的平板中存在某一残余应力，若钻一小孔，孔边的径向应力下降为零，孔区附近应力重新分布，该应力的变化称为释放应力。由应变计感受其应变，应变计离孔边愈近，则感受的应变愈大，灵敏度也愈高。通常表面残余应力是平面应力状态，两个主应力和主方向角共三个未知数，要求用三个应变敏感栅组成的应变花进行测量，每个敏感栅的中心布置在同一半径上。
盲孔法是目前工程上最常用的残余应力测量方法，美同ASTM协会已将其纳入标准。近年来各国研究者继续对盲孔法作了大量的研究工作，从实际操作中的各种工艺冈素、误差来源等方面进行了深入分析，使其日趋完善。由于盲孔法的计算公式是根据通孔的简化力学模型推导出的，与实际情况存在偏差，对此，一般采用有限元数值分析的方法，分别对不同尺寸、形状的盲孔周围的应力分布情况进行计算，得出孔径深比及孔缘孔底形状对释放应力的影响，避免Kirsch通孔解所带来的误差，同时又可省去大量人工实验标定的繁琐。由于在钻孔过程中，钻头使孔壁经历了弹性变形、塑性变形和切断过程，因而在孔壁周围由于局部塑性变形而产生附加应力场，使粘贴在该区域内的应变片感受到附加应变，其大小
受孔径、孔深、钻进速度、钻头类型、钻刃锋利程度、应变片尺寸及其到盲孔中心的距离等因素的影响。
3.1.2 环芯法
环芯法是部分损坏检测法，也称部分释放法，在我国又称为圆环法、切槽法。方法是用一种皇冠形铣刀加工出一个圆环形槽，中间为一个环芯。加工出的环芯应该是应力对它的作用最小，释放出的应变最大。用特制的应变花来测量环芯部位释放出的应变，通过相应的公式计算，即可得到该部位的残余应力大小和方向。
环芯法是在待测工件表面用皇冠形铣刀加工出一个环形槽，将其中的环芯部分从工件本体分离开来，残留在环芯中的应力同时被释放出来这种方法是利用材料的弹性变形即应力释放效果测量内部应力。用改进后的特殊应变计来测量环芯表面产生的应变。由测得结果及计算公式可知面各个方向的应变是槽深Z的函数。
3.1.3 剥层法
其工作原理为：当从含有残余应力的平板上去除一层材料时，其内部残余应力将不再平衡，当它重新平衡时将导致平板变曲，平板弯曲的曲率取决于被去除掉的那层材料的原来的残余应力分布和遗留部分材料的弹性性能。通过逐层去除并测量其去除后的曲率，平板的原始残余应力分布就可通过计算得到，常用于测定几何形状简单的试件的残余应力，测试过程快捷。剥层法仅适合于平板类样品，可用于测量内部宏观残余应力，但不能用于表面应力或近表层内力的测量。
3.2无损检测法
无损检测法主要有X射线衍射法，中子衍射法、同步衍射法、超声波法和磁性法，其中X射线衍射法又包括普通X射线衍射法和硬X射线衍射法（或同步衍射法）。这些均是利用材料中残余应力状态引起的某种物理效应，建立起某一物理量与残余应力(或应变)问的关系，通过测定这物理量推算出残余应力来。X射线
的原理与中子衍射相似，由于X射线的波长较大，其探测深度和精度不及中子衍射，但X射线源较中子源易于获得，因此工业上X射线的应用远较中子衍射为广。因此X射线衍射法的工程上最为应用广泛，其余方法理论上尚不够完善，或者相应的测试设备比较稀缺，工程应用受到限制。
3.2.1 X射线衍射法
盲孔法尽管是最常用的残余应力检测方法，但却或多或少会对构件造成损伤，
这在很多情况下是不被允许的，例如对于压力容器，就绝不允许破损。这使得人们必须去研究别的检测方法，其中，X射线法较为成熟，在已经发展出的众多无损检测多晶体材料表面残余应力的方法中，X射线最可靠、成熟，其实用性为各界所公认。X射线衍射法的基本原理是通过测量晶体结构的变化来测量变化来测量应变的变化来测量应变。X射线穿透能力有限，因而仅能测量材料与制品浅表层范围内的平均二维应力，该法的主要缺点是尺寸和几何形状有很大限制。
组成金属材料的晶粒是由一定晶体结构的无数晶胞组成的，在其被测区域的
X光照射面积内含有足够多的晶粒，且各晶粒的晶体学取向是充分紊乱的，以至采用任意指数的晶面参与衍射，都有足够多的相同晶面指数的晶面参与衍射。当金属受到力的作用时就会发生应变，晶粒中的不同晶面指数的晶面应变各不相同。只要知道了晶粒内特定晶面族面间距的变化，经布拉格方程就可得到应变量的大小，然后根据胡克定律即可求得应力值。
X射线测残余应力一般有以下特点：①速度快，准备工作简单；②理论成熟，精度高，结果可靠；③非破坏性测量，对金属构建的性能损害小，表面应力测量时属无损检测，必须剥层测内部应力时，属有损检测；④无需制备样品能够直接测量；⑤可测量指定点的应力分布情况；⑥一定条件下，可测定复相材料中某一指定相的应力；⑦测材料弹性应变时往往是弹性应变和范性应变之和。由于X射线衍射法的无损性，这种方法向来在焊接结构残余应力测量中的应用研究十分广泛。X射线法由于是通过直接测量晶体的原子间距来得到构件的变形信息，具有较高的精度。然而，这种方法对粗晶等材料的测试目前尚有困难，某些材料很难找到衍射面，X射线测试设备也比较复杂。由于穿透深度极浅，在测内部应力时必须剥层。例如为研究大锻件淬火残余应力的形成和分布规律，就属于有损检测。
硬X射线法又称同步衍射法，它与传统的X射线法相比较，其主要优势除了穿透深度高得多以外，它还能提供窄缝高能束，且测量速度比X射线法快。同步衍射实验设备也非常稀缺，仅限于若干欧美国家实验室，国内尚无该方面的研究报道。这种设备的稀缺限制人们将其用于日常的科学研究与测试工作。
3.2.2 中子衍射法
中子衍射法主要是利用材料晶格常数的变化来推算出物体的应力状态。中子衍射通常指德布罗意波长为约1埃左右的中子（热中子）通过晶态物质时发生的
布拉格衍射。当在目前，中子衍射方法是研究物质结构的重要手段之一。中子衍射的基本原理和X射线衍射十分相似，其不同之处在于：①X射线是与电子相互作用，因而它在原子上的散射强度与原子序数成正比，而中子是与原子核相互作用，它在不同原子核上的散射强度不是随值单调变化的函数，这样，中子就特别适合于确定点阵中轻元素的位置(X射线灵敏度不足)和值邻近元素的位置（X 射线不易分辨）；②对同一元素，中子能区别不同的同位素，这使得中子衍射在某些方面，特别在利用氢-氘的差别来标记、研究有机分子方面有其特殊的优越性；③中子具有磁矩，能与原子磁矩相互作用而产生中子特有的磁衍射，通过磁衍射的分析可以定出磁性材料点阵中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁结构的极为重要的手段；④一般说来中子比X射线具有高得多的穿透性，因而也更适用于需用厚容器的高低温、高压等条件下的结构研究。
中子衍射法的工作原理与其他衍射法一样，也是根据多晶体材料内部弹性变形引起的晶粒削距相对于无应力状态时的变化量进行应力测定的。其测量方法也是与射线法是一样的。中子法的最大优势是比X射法可以得到很大的穿透深度，同时具有很高的空间分辨率，从而通过移动与转动被测试件来实现的能够完全绘制工程零部件的三维应变图。然而，它的缺点是需要特殊的强中子源，并且由于源强不足而常需较大的样品和较长的数据收集时间，测试成本太高，中子衍射设备非常稀缺，仅限于若干欧美国家实验室，国内尚无该方面的研究报道。
3.2.3 超声波法
超声波法是利用声双折射现象的。一般一个在媒质1中的超声纵波以一定倾斜角度入射，通过两媒质的介面向媒质2内传递时，它将分解成两个纵波和两个横波。但当入射波是沿垂直于各向同性介质表面传播时，可以证明它将形成两个纯粹与入射波同类型的波。这个规律为利用超声波测定残余应力提供了理论根据和实验基础。一个各向同性固态介质，在应力的作用下是具有声弹性的(和磁性相似)。即在有应力的情况下，由于应力的方向和大小的不同，从而使在固态介质中的超声波传递速度发生了变化，也就是由于应力的存在引起了各向异性。当应力为平面应力状态且超声波又以垂直于应力平面方向传播时。超声波仅只分解成两个方向的超声波(反射波和折射波)。超声波法正是采取某种手段测定应力引起的声双折射、声传播速度变化及超声频谱变化，测量出这些变化以后便可计算
出作用在物体上的外力或残余应力。
超声波测定残余应力有很多优点：①能无损测定实际构件的表面应力和内部应力；②可以不接触实际构件进行应力测量，不会损伤构件表面，使用安全、无公害；③超声测量仪器方便携带到室外或现场使用，特定条件下可一机多用。但是目前超声波法仍处于试验研究阶段，还存在许多问题：①测定的结果要受到材料性能、工件形状和组织结构的干扰较大；②同时测量应力急剧变化、形状复杂和受三向应力的实际构件时还存在许多问题；③声波波长太长，利用干涉法目前还难实现，测量的灵敏度较低为了测定介质中的声速变化，必须用高灵敏度的设备和仪器来测定，测定过程比较烦琐。
3.2.4磁测法
当铁磁材料中有残余应力存在时，其磁性会发生变化，人们就利用磁性的这种变化来评定铁磁材料中的残余应力。目前应用的磁性方法有两种：磁噪声法和磁应变法。铁磁性材料内部存在大小不同的磁畴，每个磁畴的磁化矢量是不相同的，应力和外加磁场可改变磁畴的大小，从而使物体的尺寸与磁力性能发生变化，这即为磁致伸缩效应。磁畴大小的变化伴随畴界移动，而材料中的晶界及杂质等则对畴界起钉扎作用。当施加一磁场或应力于材料时，磁畴有变化的趋势，但由于钉扎源的存在，作用区中磁畴的大小仅在外因达到某一数值时才会变化，畴界不连续的移动会产生电磁脉冲，叫巴克豪森信号，通过这些信号的处理我们可以得到应力分布情况。
磁噪声法是铁磁材料在外加交变磁场的作用下，磁畴壁会发生不连续的跳跃式急剧变化，从而释放出弹性应力——应变波，此现象称为磁噪声，又称为巴克豪森磁噪声(BN)。研究表明，BN信号的大小与材料中的应力和显微组织及缺陷的变化有关，故有人用测量BN在探测线圈内感应产生的脉冲电压信号的大小来检测材料的应力、显微组织和缺陷。显然在测得BN信息大小时，还必须把各种因素的影响区别开来，从而得到应力的分布情况。
在我国，测残余应力的磁性法用得较多的是磁应变法。其原理是，基于铁磁性材料(如低碳钢等)的磁致伸缩效应，即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸变化；反过来铁磁体在应力作用下其磁化状态(导磁率和磁感应强度等)也会发生变化，因此通过测量磁性变化可以测定铁磁材料中的应力。
磁力法与上述方法相比，具有测量速度高，探测深度大(可达数毫米)，无辐射危险等优点，此外一般磁力仪携带方便，因而可对使用中的构件进行实时实地且安全的测量。但磁力法只能用于铁磁性材料，且对材料结构等因素也敏感，这些因素均多多少少限制了磁力法在工业上的应用。
1997年7月14日收到初稿,1997年10月6日收到修改稿。 分析设计中应力分类的一次结构法 陆明万陈勇李建国(清华大学工程力学系,北京,100084)(全国压力容器标准化技术委员会,北京,100088)摘要我国新的设计规范JB 24732295《钢制压力容器———分析设计标准》于1995年3月颁布 实施。如何将有限元分析或实验应力分析得到的总应力场分解成规范中定义的各种应力类别是应用JB 24732295或美国ASME 《锅炉及压力容器规范》第Ⅲ篇和第Ⅷ篇第2分册时必须解决的关键问题。本文提出应力分类的两步法和一次结构法,将它们和等效线性化方法相结合,给出了圆满解决该问题的有效方法。文中还阐述了应力分解的不唯一性、自限应力、约束分类和一次结构等重要概念。 关键词分析设计应力分类一次结构法等效线性化方法 1引言 “分析设计法”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法,已被世界各国公开承认和广泛采用。我国也于1995年3月颁布了采用分析设计法的设计规范JB 24732295。在分析设计法中弹性计算应力被分成:一次总体薄膜应力(P m )、一次局部薄膜应力(P L )、一次弯曲应力(P b )、二次应力(Q )和峰值应力(F )等五大类。以塑性失效准则来判断,各类应力对结构破坏的危害程度是不同的,所以规范中根据等强度设计原则对不同的应力规定了不同的许用极限,其差别达3倍,甚至更多。这样,如何正确地进行应力分类,将有限元分析或实验应力分析所得到的总应力场分解成规范中定义的各类应力成为应用中最为关心、且必须解决的关键问题。国内外发表了大量文章来讨论这一问题,其中等效线性化方法是已被广泛采用的典型方法。一些著名的有限元分析程序如ANSY S 、M ARC 、NAST RAN 等都已实现了等效线性化的后处理功能。我们也曾在文献[1～3]中作了讨论。 等效线性化方法要求设计者在所考虑结构的几个可能的危险部位指定一些贯穿壁厚的(通常是垂直于中面的)应力分类线,然后根据合力等效和合力矩等效的原理将沿应力分类线分布的弹性计算应力分解出薄膜应力和线性弯曲应力,剩下的非线性分布应力就是一个与平衡外载无关的自平衡力系。等效线性化概念起源于ASME 规范,被K roenke 等首先应用于二维轴对称问题[4～6]。对于三维一般情况,H ollin g er 和H echm er 两人就基于应力线性化的三维应力准则问题发表了一系列的重要文章[7～13]。 本文将首先介绍文献[1]中提出的应力分类的两步法。然后,作为等效线性化方法的扩充,提出一种有效的应力分解方法“一次结构法”。 第4期年8月第19卷 1998核动力工程Nuclear Power En g ineerin g Vol.19.No.4Au g .1998
压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法 作者：宋诚 来源：《石油研究》2020年第07期 摘要：压力容器在石油化工行业的应用非常广泛，通过分析压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法的发展，可以实现压力容器应用前景的扩大，并为其良好运行提供参考意见。进一步推动压力容器在石油化工行业的应用，有效提高压力容器的经济效益。 关键词：压力容器;应力分类法;塑性分析法 近年来很多研究学者对压力容器的工作原理、性能等方面进行研究，并取得了显著效果。以往的压力容器在设计过程中，都是采用薄膜应力的方式进行设计，将其他应力影响包括在安全系数之中。但是在实际应用过程中，压力容器及承压部件中，除去介质压力所形成的薄膜应力之外，还会受到热胀冷缩变形而导致的温差应力以及局部应力，因此，在进行压力分析设计时，需要利用应力分类法和塑性分析法，才能够明确不同应力对压力容器安全性的影响，从而有效提高压力容器的科学性和合理性。 1应力分类法 1.1一次应力 一次应力是指压力容器因为受到外载荷的影响，压力容器部件出现剪应力。一次应力超过材料屈服极限时压力容器就会发生变形破坏。主要可以分为以下几种情况：第一，总体薄膜应力。因压力容器受到内压的影响在壳体上出现薄膜应力，总体薄膜应力会在整个壳体上均匀分布，当应力超过材料屈服极限时，壳体壁厚的材料会发生变形。第二，局部薄膜应力。是指压力容器的局部范围内，应受到机械载荷或者压力所导致的薄膜应力，其中主要包括支座应力以及力距所形成的薄膜应力。第三，一次弯曲应力。由于压力容器受到内压作用的影响，在平板盖中央位置会出现弯曲引力，随着载荷的不断增加，应力会进行重新调整。 1.2二次应力 二次应力是指压力容器部件受到约束而出现的剪应力。二次应力满足变形条件。例如，在压力容器的半球形封头以及薄壁圆筒的连接位置，由于受到压力容器内压的作用，两者会出现不同的径向位移，因此两者的连接部位会形成相互约束关系，出现变形协调情况。在这种情况下，连接部位会附加剪力应力，从而形成二次应力。二次应力的出现，也是由于局部范围之内材料出现少量变形，相连部位之间约束缓和，变形协调化，变形不会继续发展，将应力值限制
第一部分支架形式模拟 (2) 1.0 普通支架的模拟 (2) 1.1 U－band (2) 1.2 承重支架 (3) 1.3 导向支架 (3) 1.4 限位支架 (7) 1.5 固定支架 (7) 1.6 吊架 (8) 1.7 水平拉杆 (8) 1.8 弹簧支架模拟 (9) 2.0 附塔管道支架的模拟 (11) 3.0弯头上支架 (13) 4.0 液压阻尼器 (14) 5.0 CAESARII可模拟虾米弯，但变径虾米弯不能模拟 (15) 第二部分管件的模拟 (15) 1.0 法兰和阀门的模拟 (15) 2.0 大小头模拟 (17) 3.0 安全阀的模拟 (18) 4.0 弯头的模拟 (19) 5.0 支管连接形式 (20) 6.0 膨胀节的模拟 (21) 6.1 大拉杆横向型膨胀节 (22) 6.2 铰链型膨胀节 (34) 第三部分设备模拟 (42) 1.0 塔 (42) 1.1 板式塔的模拟 (42) 1.2 填料塔的模拟 (44) 1.3 除了模拟塔体的温度，还需模拟塔裙座的温度 (47) 2.0 换热器，再沸器 (48) 2.1 换热器模拟也分两种情况 (48)
3.0 板式换热器 (51) 4.0 空冷器 (52) 4.1 空冷器进口管道和出口管道不在同一侧 (52) 4.2 空冷器进口管道和出口管道在同一侧 (54) 5.0 泵 (56) 6.0 压缩机，透平 (58) 第四部分管口校核 (59) 1.0 WRC107 (59) 2.0 Nema 23 (62) 3.0 API617 (64) 4.0 API610 (65) 第五部分工况组合 (68) 1.0 地震 (69) 2.0 风载 (70) 3.0 安全阀起跳工况 (72) 4.0 沉降 (74) 第一部分支架形式模拟 1.0 普通支架的模拟 1.1 U－band
目次 1 总则 (1) 1.1 范围 (1) 1.2 管道应力分析的任务 (1) 2 引用文件 (2) 3 设计 (2) 3.1 一般规定 (2) 3.2 管道冷紧 (3) 3.3 摩擦力 (3) 3.4 弹簧支吊架 (3) 3.5 设计条件 (4) 3.6 应力计算 (5) 3.7 力与力矩计算 (5) 3.8 管道应力分析评定标准 (5) 3.9 应力分析的方法 (8) 3.10 应力分析管道分类 (9) 4 应力分析报告 (12)
1 总则 1.1 范围 本标准规定了石油化工装置内管道应力分析的原则和相关要求。 本规定适用于石油化工装置设计压力不大于 42MPa，设计温度不超过材料允许使用温度的碳钢、合金钢及不锈钢管道的应力设计。 专利设备或成套设施，其设备的操作、维修、管道布置还应满足设备制造厂的特殊要求及标准。 执行本规定的同时，尚应符合国家现行有关标准。 1.2 管道应力分析的任务 管道应力分析的任务是保证管道系统布置的安全和经济性，避免发生以下情况： a) 因管道应力过大或金属疲劳而引起管道或支架损坏； b) 管道连接处发生泄漏； c) 因管道的推力和力矩过大而使管道或与管道连接的设备产生不允许的应力或变形； d) 管道从所在支架上脱落； e) 由于外部振动或管内流体引起的管道共振； f) 管道挠度过大，尤其是对于带有一定坡度自流排液的管道。 2 引用文件 GB50009 建筑结构荷载规范 GB/T20801 压力管道规范工业管道 SH/T3039 石油化工非埋地管道抗震设计通则 ASME B31.3 Process Piping API610 Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries API617 Centrifugal Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Service Industries API661 Air-Cooled Heat Exhangers for General Refinery Service NEMA SM23 Steam Turbines for Mechanical Drive Service 3 设计
管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩和其它位移等荷载作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限，使材料在工作状态下发生塑料变形。高温管道的蠕动和应力松弛，也将使管系上的应力状态发生变化。这些情况说明，管系上的应力与一般结构、机械分析中所遇到的低温的和稳定的应力不同。因此，对于不同种类的应力应当区别对待，根据它可能产生的效应和对于破坏所起的作用不同，给予不同的限定。 对于管道上的应力，一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。 一、一次应力 一次应力是由所加荷载引起的正应力和剪应力。它必须满足外部、内部力和力矩的平衡法则。一次应力的基本特征是非自限性的，它始终随所加荷载的增加而增加，超过屈服极限或持久强度，将使管道发生塑性变形。因此，必须防止发生过度的塑性变形，并为爆破或蠕变失效留有足够的裕度。 管道承受内压和持续外载而产生的应力，属于一次应力。管道承受风荷载、地震荷载、水冲击和安全阀动作冲击等荷载而产生的应力，也属于一次应力，但这些荷载都是属于偶然荷载，这些应力属动荷载产生的应力，应当在动力计算中考虑。 一次应力有三种类型：一次一般薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力。 一次一般薄膜应力，是在所研究的截面厚度上均匀分布的，且等于该截面应力平均值的法向应力（即正应力）的分量。如果这种应力达到屈服极限时，将引起截面整体屈服，不出现荷载的再分配。 一次局部薄膜应力，是由内压或其它机械荷载产生的，由于结构不连续或其它特殊情况的影响而在管道或附件的局部区域有所增强的一次薄膜应力。这类应力虽然具有二次应力的一些特征，但为安全计，通常仍划为一次应力。这种应力达到屈服极限时，只引起局部屈服，塑性应变仍然受到周围弹性材料的约束，所以屈服是允许的。假若有一个应力区域，其应力强度超过1.1倍的基本许用应力，在纵向方向的延伸距离不大于图片点击可在新窗口打开查看，并且与另一个超过一次一般薄膜应力极限的区域沿纵向方向的距离不小于图片点击可在新窗口打开查看（这里的图片点击可在新窗口打开查看和S是超过一次一般薄膜应力极限处的管子平均半径和壁厚），此应力区域可以认为是局部的，划为一次局部薄膜应力，否则就应按一次一般薄膜应力考虑。例如，在固定支架处或接管连接处由于外载产生的一次薄膜应力，通常划为一次局部薄膜应力。 一次弯曲应力是在所研究的截面上法向应力（即正应力）从平均值算起的沿厚度方向变化的分量。这种应力达到屈服极限时，也只引起局部屈服。在应力验算中，通常不单独评价一次弯曲应力强度。
压力容器应力分析设计方法的进展和评述 压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。 分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用
理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。 2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为: 2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。 2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。 随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、
明钢管的管身应力分析及结构设计 一、明钢管的荷载 明钢管的设计荷载应根据运行条件，通过具体分析确定，一般有以下几种： (1)内水压力。包括各种静水压力和动水压力，水重，水压试验和充、放水时的水压力。 (2)钢管自重。 (3)温度变化引起的力。 (4)镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力。 (5)风荷载和雪荷载。 (6)施工荷载。 (7)地震荷载。 (8)管道放空时通气设备造成的负压。 钢管设计的计算工况和荷载组合应根据工程的具体情况参照钢管设计规范采用。 二、管身应力分析和结构设计 明钢管的设计包括镇墩、支墩和管身等部分。前二者在上节中已经讨论过，这里主要讨论管身设计问题。 明钢管一般由直管段和弯管、岔管等异形管段组成。直管段支承在一系列支墩上，支墩处管身设支承环。由于抗外压稳定的需要，在支承环之间有时还需设加劲环。直管段的设计包括管壁、支承环和加劲环、人孔等附件。 支承在一系列支墩上的直管段在法向力的作用下类似一根连续梁。根据受力特点，管身的应力分析可取如图13-14所示的三个基本断面：跨中断面1-1；支承环附近断面2-2和支承环断面3-3。以下介绍明钢管计算的结构力学方法。 图13-14 管身计算断面 （一）跨中断面（断面1-1) 管壁应力采用的坐标系如图13-15所示。以x表示管道轴向，r表示管道径向，θ表示管道切向，这三个方向的正应力以、、表之，并以拉应力为正。图中表明了管壁单元体的应力状态，剪应力r下标的第一个符号表此剪应力所在的面（垂直x轴者称x面，余同），第二个符号表示剪应力的方向，如表示在垂直x轴的面上沿e向作用的剪应力。 1.切向（环向）应力。 管壁的切向应力主要由内水压力引起。对于水平管段，管道横截面上的水压力如图13-16(a),它可看作由图13-16(b)的均匀水压力和图13-16(c)的满水压力组成。这两部分的水压力在管壁中引起的切向应力为 式中D、δ--管道内径和管壁计算厚度，cm； γ--水的容重，0.001；
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压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。
分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理 论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿 命控制最大总应力,以防止循环失效等。 2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。 综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法 和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME 新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为:
1．焊接应力的分类 焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形，这时焊件中的应力称为焊接残余应力。 焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。2．焊接残余应力对结构性能的影响 （1）对结构静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。 （2）对结构刚度的影响：焊接残余应力降低结构的刚度。 （3）对受压构件承载力的影响：焊接残余应力降低受压构件的承载力。 （4）对低温冷脆的影响：增加钢材在低温下的脆断倾向。 （5）对疲劳强度的影响：焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。 焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等。 焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。 减少焊接应力与变形的工艺措施主要有： 1．预留收缩变形量。根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量，以便焊后工时预先考虑收缩余
量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸。 2．反变形法。根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。 3. 刚性固定法。焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。 4. 选择合理的焊接顺序。尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均匀，从而减少了焊接应力和变形。 5. 锤击焊缝法。在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形。 6. 加热“减应区”法。焊接前，在焊接部位附近区域(称为减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可有效减小焊接应力和变形。 7. 焊前预热和焊后缓冷。预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从而减少焊接应力与变形。工件达到所要求的形状、尺寸。在制造过程中的工艺措施和方法： 1.采用线能量小的工艺参数和焊接方法，或强制冷却措施
第七节 载荷和应力的分类 一、载荷分类 作用在机械零件上的载荷可分为静载荷和变载荷两类。不随时间变化或变化较缓慢的载荷称为静载荷。随时间变化的载荷称为变载荷。 在设计计算中，还常把载荷分为名义载荷与计算载荷。根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷称为名义载荷，它没有反映载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及其它影响零件受载等因素。因此，常用载荷系数K 来考虑这些因素的综合影响。载荷系数K 与名义载荷的乘积即称为计算载荷。 二、应力分类 按应力随时间变化的特性不同，可分为静应力和变应力。不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力（见图1–2a ）。随时间变化的应力称为变应力（见图1–2b 、c 、d ）。绝大多数机械零件都是处于变应力状态下工作的。 a) b) c) d) 图1-2 静应力及边应力 a)静应力 b)稳定循环变应力 c)不稳定循环变应力 d)随机变应力 变应力可分为稳定循环变应力（见图1–2b ）、不稳定循环变应力（见图1–2c ）及随机变应力（见图1–2d ）。瞬时作用的过载或冲击所产生的应力称为尖峰应力（见图1–2d ）。 稳定循环变应力的类型是多种多样的，但归纳起来有如图1–3所示的三种基本类型：（a ）非对称循环变应力；(b)脉动循环变应力；(c)对称循环变应力。 为了表示稳定循环变应力状况，引入下列变应力参数：s max –––变应力最大值；s min ––––变应力最小值；s m –––平均应力；s a –––应力幅；r –––循环特性。
如图1–3所示可知，s max=s m+s a；s min=s m–s a；s m=(s max+s min)/2；s a=(s max–s min)/2；r=s min/s max=(s m–s a)/(s m+s a)。当r=+1时，表明s max=s min，即为静应力；当r=–1时，表明s max 与s min的数值相等但符号（即方向）相反，这类应力称为对称循环变应力；当r=0时，即s min=0，s m=s a=s max/2，这类应力称为脉动循环变应力。当r为任意值为（即r1+1、–1、0），这类应力统称为非对称循环变应力（见图1–3a）。 a) b) c)图1-3 稳定循环变应力 a)非对称循环变应力b)脉动循环变应力c)对称循环变应力 通常在设计时，对于应力变化次数较少（例如在整个使用寿命期间应力变化次数小于103的通用零件）的变应力，可近似地按静应力处理。 变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生。在静载荷作用下产生变应力的例子如图1–4所示，图示为转轴和滚动轴承a点的应力变化。 图1–4 在静载荷作用下产生变应力的例子 零件的失效形式与材料的极限应力及零件工作时的应力类型有关。在进行强度计算时，首先要弄清楚零件所受应力的类型。
应力与应力状态分析 拉伸模量 拉伸模量是指材料在拉伸时的弹性，其计算公式如下： 拉伸模量（㎏/c ㎡)=△f/△h(㎏/c ㎡) 其中，△f 表示单位面积两点之间的力变化，△h 表示以上两点之间的应变化。更具体地说，△h ＝（L-L0）/L0，其中L0表示拉伸长前的长度，L 表示拉伸长后的长度。 §4-1 几组基本术语与概念 一、变形固体的基本假设 1、均匀连续性假设：假设在变形固体的整个体积内均匀地、毫无空隙地充满着物质，并且各点处的力学性质完全相同。 根据这一假设，可从变形固体内任意一点取出微小单元体进行研究，且各点处的力学性质完全相同，因而固体内部各质点的位移、各点处的内力都将是连续分布的，可以表示为各点坐标的连续函数。 2、各向同性假设：假设变形固体在所有方向上均具有相同的力学性质。 3、小变形假设：认为构件的变形与构件的原始尺寸相比及其微小。 根据小变形假设，在研究构件上力系的简化、研究构件及其局部的平衡时，均可忽略构件的变形而按构件的原始形状、尺寸进行计算。 二、应力的概念 1、正应力的概念 分布内力的大小（或称分布集度），用单位面积上的内力大小来度量，称为应力。 由于内力是矢量，因而应力也是矢量，其方向就是分布内力的方向。 沿截面法线方向的应力称为正应力，用希腊字母σ表示。 应力的常用单位有牛/米2 （2/m N ，12/m N 称为1帕，代号a P ）、千米/米2（2/m KN ，12/m KN 称为1千帕，代号K a P ），此外还有更大的单位兆帕（M a P ）、吉帕（G a P ）。 几种单位的换算关系为：
1 K a P =310a P 1 M a P =310K a P 1 G a P =310M a P =610K a P =910a P 2、切应力与全应力的概念 与截面相切的应力分量称为切应力，用希腊字母τ表示。 K 点处某截面上的全应力K p 等于该点处同一截面上的正应力K σ与切应力K τ的矢量和。 三、位移、变形及应变的概念 变形：构件的形状和尺寸的改变。 位移：构件轴线上点的位置变化和截面方位的改变。 变形和位移的关系：构件的变形必然会使结构产生位移，但结构的位移不一定是由构件的变形引起的，温度变化、支座移动等也会使结构产生位移。 单元体：围绕构件内某一点截取出来的边长为无限小的正六面体。 应变：描述单元体变形程度的几何量，包括线应变和角应变两类。 线应变（正应变）ε：单元体线性尺寸的相对改变量。ε=Δu / u 角应变（切应变）γ：单元体上直角的改变量。γ= 90°- θ 应力与应变的对应关系：正应力σ与正应变ε相互对应；切应力τ与切应变γ相互对应。 四、受力构件内一点处的应力状态的概念 构件内某点处的应力状态，是指通过该点的各个不同方位截面上的应力情况的总体。 研究应力状态，对全面了解受力杆件的应力全貌，以及分析杆件的强度和破坏机理，都是必需的。 为了研究一点处的应力状态，通常是围绕该点取一边长为无限小的正六面体，即单元体。 主平面：单元体上没有切应力的面称为主平面。 主应力：主平面上的正应力称为主应力。 可以证明，通过一点处的所有方向面中，一定存在三个互相垂直的主平面（即一定存在主单元体），因而每一点都对应着三个主应力。 一点处的三个主应力分别用σ1 , σ2 和σ3来表示，并按应力代数值的大小顺序排列，即σ1≥σ2≥σ3。 原始单元体：从一点处取出的各面上应力都已知的单元体，称为该点的原始单元体。对于杆件，通常用一对横截面和两对互相垂直的纵截面截取原始单元体。 主单元体：各面上没有切应力的单元体称为主单元体。 应力状态的分类： 空间（三向）应力状态：三个主应力均不为零 平面（二向）应力状态：一个主应力为零 单向应力状态：两个主应力为零
压力容器应力分析设计方法的进展和评述 姓名：XXX 部门：XXX 日期：XXX
压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。 第 2 页共 6 页
2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为: 2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。 2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。 随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。应力分类法 3.1.应力分类法是当今分析设计的主流方法 应力分类法有如下优点: 3.1.1.简单。采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。应力评定时直接给出各类等效应力的许用值,因而应力分类后的强度校核与常规设计类似。 第 3 页共 6 页
安全管理编号：YTO-FS-PD389 压力容器应力分析设计方法的进展和 评述通用版 In The Production, The Safety And Health Of Workers, The Production And Labor Process And The Various Measures T aken And All Activities Engaged In The Management, So That The Normal Production Activities. 标准/ 权威/ 规范/ 实用 Authoritative And Practical Standards
压力容器应力分析设计方法的进展 和评述通用版 使用提示：本安全管理文件可用于在生产中，对保障劳动者的安全健康和生产、劳动过程的正常进行而采取的各种措施和从事的一切活动实施管理，包含对生产、财物、环境的保护，最终使生产活动正常进行。文件下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用。 压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、
一、 已知某点的应力状态为 试求该点的主应力、应力主轴方向（仅计算σ1应力主轴方向）和最大切应力。 二、已知弹性体的体积力为常量，其应力分量为： 如弹性体为可能的应力状态，求待定系数A ，B 应满足的关系。 三、已知圆筒的内径和外径分别为a 和b ，圆筒受内压q 的作用，在圆筒外部受刚性位移约束，如图所示。试求圆筒应力。 已知轴对称应力和位移为： 解：做出圆筒的受力状态如下图所示。 极坐标下应力边界条件 θ θθθτστσf l m f m l s r s r s r s r =+=+)()()()( 3 对于圆筒的内表面， q f m l r ==-=,0,1 3 因此有内表面的边界条件为q r =-σ 即 q C a A a r r -=+= =22 σ （1） 3 圆筒外表面满足位移边界条件 ==b r r u 即 1[(1)2(1)]1[(1)2(1)]0r r b r b A u v v Cr E r A v v Cb E b === -++-=-++-= （2） 3 联立（1）（2）解得
()22 222 22 (1)(1)(1)12(1)2(1)q a b A a b q a C a b νννννν--= ++--+= ++- 4 因此可得圆筒的应力 圆筒的位移 圆筒内半径的改变量为 厚度变化量 四、图示的三角形悬臂梁，在上边界0=y 受到均布压力q 的作用，试用 下列应力的函数 ]tan cos cos sin )([2 222αφρφφρφαρC Φ-+-=求出其应力分量。（本题15分） 解：应力函数Φ应满足相容方程和边界条件，从中可解出常数 得出的应力解答是 在截面 mn 上，正应力和切应力为 刘章军：弹性力学内容精要与典型题解，中国水利水电出版社。P19.例2.8 五、图示薄板，在y 方向受均匀拉力作用，试证明在板中间突出部分的尖 点A 处无应力存在。 六、试考察 ，能解决图示弹性体的何种受力问题。（10分） 解：本题应按逆解法求解。 首先校核相容方程，▽4 Φ = 0是满足的。 然后，代入应力公式（4-5），求出应力分量： 再求出边界上的面力： 七、半平面体表面受有均布水平力q ，试用应力函数Φ= ρ2(B sin2φ+Cφ)求解应力分量。（20分）
2003年 月 日发布 2003年 月 质 量 管 理 体 系 文 件 HQB-B06-05.306PP-2003 设计规定 管道应力分析设计规定 版 号：0 受控号：
号编 主编部室：管道室参编部室： 参编人员： 参校人员： 说明： 1．文件版号为A、B、C......。 2．每版号中局部修改版次为1/A、2/A……，1/B、2/B……，1/C、2/C……。本规定（HQB-B06-05.306PP-2003）自2003年月实施。
目录 1. 总则 (1) 2. 应力分析管线的分类及应力分析方法 (2) 3. 管道应力分析设计输入和设计输出 (6) 4. 管道应力分析条件的确定 (9) 5. 管道应力分析评定准则 (11) 附件1 管线应力分析分类表 (14) 附件2 设备管口承载能力表 (15) 附件3 柔性系数k和应力增强系数i (16) 附件4 API 610《一般炼厂用离心泵》(摘录) (17) 附件5 NEMA SM23 (摘录) (22) 附件6 API 661 《一般厂用空冷器》(摘录) (23)
1. 总则 1.1 适用范围 1.1.1 本规定适用于石油化工生产装置及辅助设施中的碳钢、合金钢及不锈钢管道的应力分析设计工作。 本规定所列内容为管道应力分析设计工作的最低要求。 1.1.2 管道应力分析设计应保证管道在设计和工作条件下，具有足够的强度和合适的刚度，防止管道因热胀冷缩、支承或端点的附加位移及其它的荷载（如压力、自重、风、地震、雪等）造成下列问题： 1)管道的应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏。 2)管道连接处泄漏。 3)管道作用在与其相联的设备上的载荷过大，或在设备上产生大的变形或应 力，而影响了设备的正常运行。 4)管架因强度或刚度不够而造成管架破坏。 5)管道的位移量过大而引起的管道自身或其它管道的非正常运行或破坏。 6)机械振动、声频振动、流体锤、压力脉动、安全阀泄放等动荷载造成的管 道振动及破坏。 1.2 应力分析设计工作相关的标准、规范： 1) GB150-1999 《钢制压力容器》 2) GB50316-2000 《工业金属管道设计规范》 3) HG/T20645-1998 《化工装置管道机械设计规定》 4) JB/T8130.2－95 《可变弹簧支吊架》 5) JB/T8130.1－95 《恒力弹簧支吊架》 6) HQB-B06-05.203PP-2003《简化柔性计算的规定》 7) ASME/ANSI B31.3 Process Piping 8) ASME/ANSI B31.1 Power Piping 9) ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and Distribution piping systems 10)ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems 11)API 610 Centrifugal Pumps for General Refinery Services
收稿日期:2003-08-15 基金项目:台湾中流文教基金会与喜马拉雅发展基金会资助项目。 作者简介:魏淑艳(1965-),女,辽宁北宁人,东北大学副教授,历史学硕士。 第5卷第6期2003年11月东北大学学报(社会科学版)Journal of Northeastern University (S ocial Science )Vol 15,No.6No v.2003 文章编号:1008-3758(2003)06-0426-03 我国公共政策评估方式分析 魏淑艳1,刘振军2 (1.东北大学文法学院,辽宁沈阳 110004; 2.东北大学出版社,辽宁沈阳 110004) 摘 要:阐述了目前我国公共政策评估的三种主要方式,党的总政策和基本政策以非正式评 估为主流的评估方式,政府一般公共政策和具体政策实行内部评估方式;此外,独立的第三方评估作为一种新的评估方式也开始在中国产生和发展。分析了这几种评估方式的利弊,指出必须寻求合理化的评估方式,大力发展评估性中介组织,逐渐使中介组织评估成为我国政策评估的主导力量,推动我国政策评估科学化。关 键 词:公共政策;政策评估;非正式评估;内部评估中图分类号:D 6931091 文献标识码:A 公共政策评估是由一定的评估主体,依据一 定的标准和程序,采用某些研究方法,对事关国家和社会发展的公共政策的效果及价值进行评价和判断的一种政治行为。我国的政策评估作为政策过程的一个环节既有其合理性,也存在一些问题,从而影响评估的科学性。这里仅就我国公共政策评估的方式及利弊进行分析,并提出初步的解决对策。 一、我国公共政策评估的方式 我国的公共政策根据层次分类,可以分为总 政策、基本政策、一般政策、具体政策。我国的公共政策评估由于政策类型与政策主体的不同,评估方式也不同。通常需要进行评估的政策主要是由党政两大方面制定的各类政策,具体表现为以下几方面。 (1)总政策和基本政策的评估非正式评估为主流的评估方式。我国从新中国成立以来,出台了大量的公共政策,其中党中央制定的总政策和基本政策基本上是经由非正式评估方式决定政策的更替。这两种政策的评估实际上的负责机构为中共中央办公厅。所谓非正式评估是指对评估者、评估程序、评估形式、评估内容等不作严格规定,对评估结论也没有严格的要求,评估者根据自己所掌握的资料自由进行的评估。在总政策和基本政策的评估上,非正式评估是主流。 我国总政策和基本政策的非正式评估主要有以下几种类型。①由我国地方党和政府主要官员,根据对中央政策推行情况的了解和调查,向中央有关部门和国务院反映情况,或者通过中央召集的地方党政主要负责人会议向上反映情况。②党中央和国务院的主要领导同志到地方调研,亲自体验政策的效果与影响,对政策作出评估。③大众传播媒介的公开报道和内参反映政策效果。④群众的来信来访反映政策效果或问题。直到今天,非正式评估手段仍是中共中央评估和了解政策实施及效果的基本手段。 (2)一般公共政策与具体政策的评估方式内部评估。我国政府的政策,包括一般公共政策和具体政策,如科技、教育、产业政策,普遍实行内部评估方式。中央政府和地方政府一般都有专门的部门负责政策评估,如中央政府的法制局、地方政府的法规处,专门负责政府政策与部门政策的评估。同时政府各部门也都在每年年底对自己的政策进行评估。但地方党组织制定的政策很少评估。内部评估是由行政机关内部的工作人员进行的评估。 (3)新兴的评估方式由独立的第三方进行的外部评估。这是指由政策制定者与执行者之外的人员进行的正式评估。外部评估在国外通常是由受行政机构委托的研究机构及专家进行的评估,由投资或立法机构、中介组织进行的评估。在
Through the reasonable organization of the production process, effective use of production resources to carry out production activities, to achieve the desired goal. 压力容器应力分析设计方法的进展和评述正式版
压力容器应力分析设计方法的进展和 评述正式版 下载提示：此安全管理资料适用于生产计划、生产组织以及生产控制环境中，通过合理组织生产过程，有效利用生产资源，经济合理地进行生产活动，以达到预期的生产目标和实现管理工作结果的把控。文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用。 压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途
压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。 分析设计方法