压力容器分析设计中基于“处理面”的等效线性化方法

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。

球形封头开孔补强四种设计方法对比孙　禹∗　华陆工程科技有限责任公司　西安　710065摘要　本文简要介绍了如何使用解析法、应力分类法、极限载荷法和弹塑性分析法确定压力容器结构的最大允许载荷，并以球壳模型和球壳+接管模型为算例，分别使用上述四种方法确定结构的最大允许载荷，通过对数值计算结果的对比分析得出以下结论：常规设计方法的安全裕量随着厚径比的增大而逐渐减小，在使用常规设计法确定结构尺寸时，对于壁厚较大的设备应适当提高设计裕量；使用应力分类法确定厚壁容器的结构尺寸时可能偏于危险，此时应采用更为合理的极限载荷分析法或者弹塑性应力分析法。

关键词　解析法　应力分类法　极限载荷分析法　弹塑性应力分析法　最大允许载荷。

∗ 孙　禹：工程师。

2015年毕业于北京化工大学 动力工程及工程热物理专业获硕士学位。

现主要从事压力容器设计工作。

联系电话：029-********，E-mail ：************************。

压力容器的设计根据计算方法不同可以分为常规设计法和分析设计法。

因为一般压力容器厚度方向尺寸远远小于另外两向尺寸，所以常规设计将压力容器简化为薄壳结构，以回转薄壳无力矩理论为基础，求得结构尺寸的解析解。

经过多年的发展，常规设计理论已经日趋完善，目前工程领域中绝大多数压力容器均可以通过常规设计完成设计工作。

近年来，随着计算机处理能力的不断提升，以有限单元法为理论基础的分析设计取得了很大的发展，在压力容器设计领域逐渐占有一席之地，尤其在常规设计无法解决的领域发挥了极大的作用，帮助设计人员完成设计工作，使得在复杂温度场、交变载荷等苛刻工况作用下的设备得以安全运行[1]。

壳体与接管相贯的结构在压力容器中最为常见，壳体开孔处的强度问题也直接影响设备的安全。

常规设计对壳体的开孔补强主要采用等面积补强法；分析设计根据材料模型和结构响应不同可分为弹性分析和塑性分析，目前，国际上广泛应用的主要有应力分类法、极限载荷分析法、弹塑性应力分析法。

探讨压力容器设计方法压力容器正确完整的设计应达到保证完成工艺生产，运行安全可靠，保证使用寿命、制造、检验、安装、操作及维修方便易行，经济合理等要求。

基于此，本文就压力容器的设计要求和设计方法进行分析和阐述，希望可以为压力容器的优化设计提供借鉴。

标签：压力容器；设计要求；设计方法随着工业不断发展和工业规模的不断扩大，压力容器的操作条件越来越苛刻，结构也越来越复杂。

压力容器所处理的介质往往是易燃易爆或者有毒的，一旦发生事故将造成不可估量的损失。

因此对压力容器的安全及优化设计就显得极为重要，探索更好地设计方法也是促进其予以更好发展的重要根基。

1 压力容器概述一般来说，压力容器就是符合《固定式压力容器安全技术监察规程》中所定义的容器，即工作壓力≥0.1MPa；容积大于或者等于0.03m?并且内直径（非圆形截面指截面内边界最大几个尺寸）≥150mm；盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。

压力容器具有极为广泛的用途，诸如石化、科研、能源、军工等都是其重要的应用领域，并在多部门中担任重要设备。

压力容器一般情况由筒体、封头、接管、法兰、密封元件等元件组成，因为其对密封、承压、介质的应用，极容易发生爆炸和环境污染，对其进行优化设计就显得极为重要。

2 压力容器设计方法压力容器的设计可以采用规则设计方法或者分析设计方法，必要时也可以采用试验方法或者可对比的经验设计方法。

压力容器的设计应当给予设计条件，综合考虑所有相关因素、失效模式和足够的安全裕量，以保证压力容器具备足够的强度、刚度、稳定性和抗腐蚀性，确保压力容器在设计使用年限内的安全。

2.1 规则设计方法规则设计方法就是采用弹性失效准则，对容器各处实际存在的应力一般不进行严格而详细的计算，在对材料、结构、制造、检验等作出相应限定后，用比较简单的计算公式确定元件厚度以保证容器安全性的設计方法。

规则设计是对材料力学、板壳薄膜理论的简化，其仅是对“最大荷载”工况的考虑，以一次施加的静力荷载作为处理原则，忽略边缘应力、局部应力，以及热应力，对于容器的疲劳寿命同样不再考虑范围内。

压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法【摘要】首先对压力容器大开孔补强计算中涉及的应力特点及强度分析进行阐述，然后将目前存在的三种主要的补强计算方法的计算原理、特点等做了详细的介绍，并对三种不同的方法的优缺点进行比较总结，从而要求设计的容器更加符合安全、经济等多方面的要求，实现优化设计的目的。

【关键词】压力容器大开孔补强等面积法分析法及有限元应力分析法在设计者设计容器及压力容器的过程中通常都需要设计计算壳体的大开孔补强，GB150-2011即钢制压力容器中规定了容器壳体开孔范围，根据壳体的内径不同，分别作了明确地规定，当内径小于1500毫米时，开孔的最大直径要小于等于二分之三的内径，且不能大于520毫米；而当其内径大于1500毫米时，开孔最大直径则应当小于等于三分之二的内径，且其直径不能大于1000毫米。

本文中的容器的大开孔指的是超过以上范围的开孔。

现如今，主要是通过等面积法、分析法及有限元应力分析法三种方法计算压力容器大开孔的补强。

1 大开孔应力特点及强度分析对压力容器的壳体做开孔后，容器开孔的边缘会形成较为复杂的应力状况，以下是对会引起的三种应力的详细描述。

1.1 局部薄膜应力一般来说压力容器的壳体承受的都是一次总体薄膜应力，指的是它承受的薄膜应力是均匀的。

而对其进行开孔后，会导致其面积的减少，即该截面的承载压力的面积减少，将会破坏其原有的均匀受力的情况，对开孔的周边其变化尤为明显，其应力会明显的增加，而对远离开孔的地方，其应力则基本不受影响。

此种仅在开孔附近发生变化的应力被称为局部薄膜应力，同时若这种应力引起失效，则被称为静力强度失效。

1.2 弯曲应力当容器开孔后，一般需要有另外的一个壳体与被开孔的容器相互贯通。

即需要设置接管、人孔。

两个相连通的壳体在压力的载荷作用下的直径的增大度一般来说不同，而当对其进行接管后，为了平衡、协调其不一致的变形，壳体自身通常会产生一种被称为边界内力的平衡力。

压力容器结构安全评估与优化设计近年来，随着工业技术的进步和发展，压力容器在各行各业中得到了广泛应用。

作为一种承受内外压力的设备，压力容器的结构安全评估和优化设计显得尤为重要。

本文将深入探讨压力容器结构安全评估与优化设计的相关问题，并提出一些有效的建议和方法。

一、压力容器结构安全评估的重要性压力容器作为承受内外压力的设备，一旦结构发生问题，将会造成严重的后果，甚至可能引发事故。

因此，对压力容器的结构安全进行评估是至关重要的。

通过对压力容器进行结构安全评估，可以及时发现潜在的结构问题，提前采取措施进行修复，确保设备的运行安全和可靠性。

二、压力容器结构安全评估的方法1.非破坏性检测非破坏性检测是一种常用的压力容器结构安全评估方法。

通过使用声波、磁力、超声波等技术手段，对压力容器进行内外部结构的检测和评估。

非破坏性检测具有无损伤、快速、准确的特点，能够对压力容器的各个部分进行全面的评估，帮助工程师及时发现结构问题，采取相应的处理措施。

2.有限元分析有限元分析是一种常用的数值计算方法，通过将物体分割成有限数量的子元素，在每个子元素中进行力学分析，最终得到整个物体的力学性能。

对于压力容器结构安全评估来说，有限元分析可以帮助工程师模拟压力容器的受力情况，分析结构的强度和稳定性，确定是否存在潜在的安全隐患。

三、压力容器结构优化设计的目标压力容器结构优化设计旨在提高结构的强度和稳定性，降低结构的重量和成本。

通过合理设计和优化结构，可以延长压力容器的使用寿命，提高其运行效率，降低维修成本，提高设备的安全性能。

四、压力容器结构优化设计的方法1.材料选型在压力容器结构优化设计中，材料的选取是非常重要的一步。

合理选择材料可以提高结构的强度和耐腐蚀性能，降低结构的自重和成本。

工程师应综合考虑压力容器的使用环境、工作条件、设计寿命等因素，选择适合的材料。

2.结构形式设计压力容器的结构形式对其强度和稳定性有着直接的影响。

在设计阶段，工程师应根据压力容器的工作条件和受力情况，选择合适的结构形式，如圆柱形、球形、圆锥形等。

应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用分析作者：胡洋王超悌尚英军来源：《科学与财富》2018年第07期摘要：应力线性化原理是压力容器设计过程中需借助的主要原理，是提高容器设计合理性的关键。

本文简要介绍了应力线性化原理，强调了将该原理应用到压力容器设计中的重要价值。

基于此，对应力线性化模型的建立方法进行了详细的探讨，并以某压力容器为例，在借助应力线性化原理的基础上，对其设计方案进行了分析，证实了该原理的应用价值。

关键词：应力线性化原理；压力容器；轴对称模型前言：压力容器属于石油、化工等领域所应用的主要设备，该设备设计过程中，如力学指标存在误差，极容易对容器使用的安全性造成影响，对容器使用寿命的延长不利。

实践研究显示，将应力线性化原理应用到压力容器的设计过程中，有助于提高容器力学参数的合理性。

可见，为优化容器的设计效果，对该原理的应用方法加以探讨较为关键。

1 应力线性化原理应力线性化，即将有限元分析所得到的应力分布曲线，进行线性化处理，使之“弯曲应力”、“薄膜应力”以及“峰值应力”的变化情况能够体现在曲线当中的一种力学分析方法[1]。

压力容器设计过程中，薄膜应力、弯曲应力以及峰值应力，属于影响容器使用安全性的主要因素。

根据各应力名称的不同，其影响同样不同。

薄膜应力一般沿压力容器的截面均匀分布，应力的大小，与截面的厚度有关。

弯曲应力一般沿压力容器的截面线性分布，应力与截面厚度合力矩等效。

为提高压力容器设计的合理性，确保三项力学参数合理较为重要[2]。

2 应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用2.1 应力线性化模型的建立方法应力模型包括非轴对称模型与轴对称模型两种，两种模型的建立方法存在一定的差异：2.1.1 非轴对称模型非轴对称模型所对应的应力，一般呈非线性的形式分布，应力一般沿压力容器的截面厚度方向分布。

根据压力容器静力等效以及静弯矩等效的不同，应力的计算模型同样有所差异。

计算时，需将“非线性应力分布值”、“弯曲应力”、“截面厚度”等参数，纳入到模型当中，提高结果的准确度。