JB4732钢制压力容器分析设计应力分类过程简介备课讲稿

压力容器的静力学分析与模态分析压力容器的制造和使用都有严格规范标准，本文借助ANSYS软件对某型压力容器结构进行静力学分析与模态分析，结合压力容器分析设计标准JB4732-1995，对压力容器的应力结构进行评定，从而对压力容器结构进行强度校核。

本文所研究分析的压力容器结构如下所示，压力容器顶部开孔为非对称开孔，侧边开孔为对称开孔。

压力容器筒体外径为1218mm，总高度为4058mm，顶部接管内径为212mm，侧边接管内径为468mm，筒体壁厚为28mm。

压力容器的工作压力为3.2MPa，容器内工作温度为-25℃-55℃，整体结构材料为14Cr1Mo。

图1 压力容器结构三维模型（右图为剖视）表3.1 压力容器结构应力分析的材料参数材料弹性模量（Gpa）泊松比许用应力(MPa)14Cr1Mo 183 0.3 1403.1 有限元模型建立采用ANSYS Workbench进行静力学分析，需要先对压力容器结构进行网格划分，为提高计算精度，保证线性化应力后处理的准确性，对压力容器结构采用全六面体的网格划分，且在厚度方向上划分至少3层的网格。

网格单元类型采用高阶单元类型，在ANSYS 中的单元类型号为Solid186，Solid186单元结构如下图所示，该单元共有20个节点，单元形状为六面体，在六面体的顶点处共有8个节点，在六面体边的中点位置处共有12个节点，合计20个节点。

Solid186可以很好的适用于线性或非线性的有限元仿真分析，同时还支持塑性本构、蠕变本构等一些特殊的非线性材料。

Solid186属于实体单元，实体单元每个节点具有三个平动自由度，分别为UX，UY和UZ。

结构厚度方向上布置多层网格单元，可以很好的分析出结构在厚度方向上的应力变化梯度，提高计算精度[13]。

图2 Solid186单元类型结构图采用workbench自带的Mesh功能对压力容器结构进行网格划分，整体的网格尺寸设置为15mm，厚度方向划分三层网格。

关于压力容器分析设计中的应力分类方法发布时间：2021-12-28T08:54:25.672Z 来源：《中国科技人才》2021年第22期作者：李玲俐贾雪梅侯玮[导读] 并运用实例对应力分类展开了计算，最后提出一些意见，希望给压力容器分析设计中的应力分类带来积极的作用。

巴克立伟（天津）液压设备有限公司天津西青300385摘要：按照压力容器分析设计的标准，可把二维以及三维实体弹性有限元的计算应力分为三类，即一次应力、二次应力与峰值应力，于是本文就着重对这三类应力的原理展开了研究，并运用实例对应力分类展开了计算，最后提出一些意见，希望给压力容器分析设计中的应力分类带来积极的作用。

关键词：压力容器；分析设计；应力分类1 引言压力容器分析方法中的应力分类法最早是由 ASME 机械工程师协会于上世纪 60 年代纳入ASME VIII-2 中的。

我国最早也是在 JB4732-1995 中正式颁布了压力容器分析设计标准。

随着计算机技术的发展，使用有限元分析软件来进行分析设计已经被广泛普及和应用。

应力分类法主要以板壳理论中的应力分析作为根据，通过以线弹性分析的方法解决弹塑性结构的失效问题。

因为压力容器分析设计引入了应力分类，所以当设计人员计算好应力之后，还需根据结果进行分类，分为一次应力、二次应力以及峰值应力，每种应力的失效机制以及极限值均不同。

虽然具有特殊载荷在局部区域的应力分类，不过此分类主要是壳体理论的，无法直接用于二维以及三维实体弹性有限元当中。

目前二维以及三维实体有限元的应力分类方法还没有标准的原则，为此后文将通过对比分析法对几种应力分类进行综合阐述。

2 应力分类方法2.1 弹性补偿法（ECM）弹性补偿法也被称为减少模量法（RMM），此方法的应用原理为：降低高应力单元弹性模量、增加低应力单元弹性模量。

此方法是最先用于管道系统的应力分类方法，后来应用在压力容器当中。

减少模量法（RMM）在弹性有限元计算应力当中主要就是把模拟的非弹性响应和带有一次、二次特征的理想模型展开比较，进而分成一次应力与二次应力。

主讲内容:JB/T 4731-2005《钢制卧式容器》议程约3小时概述●钢制卧式容器的适用范围●材料的选用●支座●开孔及接管●钢制卧式容器的计算●钢制卧式容器的制造及检验●JB/T4731与GB150、NB/T47003.1之间的关系●新容规对JB/T4731的主要影响词汇●卧式容器●鞍式支座●法兰接管支座人孔手孔紧固件●圆筒轴向应力切向剪应力圆筒周向应力轴向弯矩压力温度均布载荷厚度材料试验压力制造及检验一. 钢制卧式容器的适用范围1●①本标准适用于设计压力不大于35MPa 是指●---。

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---------●-0.1 -0.02 0.1 35MPa●卧式真空容器卧式常压容器卧式压力容器●GB150 NB/T47003.1 GB150●即：适用于钢制卧式常压容器与钢制卧式压力容器；一. 钢制卧式容器的适用范围2●②均布载荷，两个位置对称的鞍式支座支承的钢制卧式容器。

●③本标准不适用带夹套的卧式容器，主要是因有夹套后，夹套筒体的受力情况、抗弯断面系数等与假设不符。

二. 材料的选用1●①卧式容器的受压元件选材按GB150中的规定；●②鞍座与圆筒相连接的垫板与圆筒材料相同；●③地脚螺栓宜选用GB/T 700规定的Q235或符合GB/T 1591规定的Q345(设计温度≤-20℃时选用)；●④螺母:选用与地脚螺栓材质相匹配;●⑤鞍座材料的选用按表5-1：P9二. 材料的选用2表5-1：鞍座材料的选用设计温度，℃（环境温度加20 ℃）鞍座材料许用应力［σsa］，MPa0~250（-20~250 ）Q235-A147 0~-20（-20~-40 ）Q245R153三.支座●1.支座：卧式容器支座采用鞍式支座（P10图7-1）。

●当支座焊在容器上时，其中的一个支座应采用滑动●支座滚动支座。

力学与强度（教案）2006年9月主要内容第一部分材料力学基本知识一、构件的承载方式二、应力与应变三、低碳钢的拉伸试验及其机械性能四、拉伸和压缩的强度条件五、复杂应力状态六、强度理论第二部分锅炉压力容器压力管道强度概论一、锅炉压力容器压力管道载荷种类二、锅炉压力容器压力管道常规设计中的强度控制原则（名义应力）三、边缘应力四、分析设计中的应力分类与控制原则五、热应力六、应力集中与疲劳七、有限元方法在锅炉压力容器应力分析中的应用第一部分材料力学基本知识一、构件的承载方式构件的简单承载方式分为：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转。

下面以杆件分别予以说明。

表1-1 杆件的基本变形形式♦杆件受到作用线与杆轴线重合的大小相等，方向相反的拉力，这时杆件承受拉伸作用，其变形称为拉伸变形。

♦杆件受到作用线与杆轴线重合的大小相等，方向相反的压力，这时杆件承受压缩作用，其变形称为压缩变形。

♦杆件承受与其轴线垂直的力的作用，或承受弯矩作用，这时杆件承受弯曲作用，产生的变形称为弯曲变形。

♦杆件受到作用线与杆轴线垂直，距离很近的大小相等、方向相反的两个力的作用时，这时杆件承受剪切作用，产生的变形称为剪切变形。

♦ 杆件受到在垂直于杆轴平面内的大小相等、转向相反的两个力偶作用，杆件则承受扭转作用，产生的变形称为扭转变形。

复杂承载状况往往是上述几种承载形式的组合，或同一种或几种承载方式在不同方向上的组合。

如汽车的驱动轴同时承受扭转、弯曲、剪切作用。

再如气瓶的圆筒部分承受沿轴向和环向双向拉伸作用。

二、应力与应变物体承受外载荷后，在其剖面上存在内力。

单位面积上的内力称为应力，根据剖面的方向不同和载荷的类型不同，在剖面上存在垂直于剖面方向拉、压应力（称正应力）和平行于剖面方向的剪应力作用。

以杆件拉伸为例加以介绍。

研究图1—1(a)所示的杆件AB 。

杆件承受拉伸载荷P ，我们用与轴线垂直的平面mn 将杆件分割，在横截面存在内力N 。

如横截面面积为A ，则作用在单位横截面面积上的内力的大小为：A PA N==σ (1-1)式中 σ 称为截面上的正应力，方向垂直于横截面。

JB/T4731-2005 <<钢制卧式容器>>1.适用范围JB/T 4731—2005《钢制卧式容器》相对于原来GB l50—1989第8章作了部分修订，如：取消圈座支承，增加鞍座轴向弯曲强度校核及附录A《有附加载荷作用时卧式容器的强度汁算》等。

JB/T 4731适用于设计压力不大于35MPa，在均布载荷作用下，由两个对称的鞍式支座支承的常压及受压卧式容器，它不适用于：——直接火焰加热及受核辐射作用的卧式容器；——经常搬运的卧式容器；——带夹套的卧式容器；一一作疲劳分析的卧式容器：卧式容器设计是先根据操作压力(内压、外压)确定壁厚，再依据自重、风、地震及其他附加载荷来校核轴向、剪切、周向应力及稳定性，卧式容器设计还包括支座位置的确定及支座本身的设计。

2.术语和定义.操作压力.设计压力.计算压力.试验压力设计温度工作温度试验温度计算厚度设计厚度名义厚度有效厚度3设计的一般规定3.1 设计压力的确定：（a）设计压力值应不低于操作压力；（b）装有超压泄放装置时，设计压力按GB150附录B确定设计压力；(c)液化气体，液化石油气的卧式容器，按《容规》规定确定设计压力；(d)真空容器的设计压力按承受外压考虑，当装用安全控制装置时，设计压力取1.25倍的最大内外压差或0.1Mpa两者的较低值；当无安全控制装置时，设计压力取0.1Mpa。

3．2设计温度的确定：(a)设计温度不低于元件金属在工作时可能达到的最高温度。

对于0度以下的金属温度,设计温度不应高于元件金属在工作时可能达到的最低温度。

铭牌上应标志设计温度。

(b)低温卧式容器的设计温度按GB150附录C规定确定。

3．3元件金属温度确定（a）传热计算；(b)在已使用的同类容器上测定；(C)在使用过程中，金属温度接近介质温度时按内部介质温度确定。

3．4 对于有不同工况的卧式容器，应按最苛刻的工况设计，并在图样或技术文件中注明各工况的操作压力和操作温度。

应力分析设计在压力容器设计中的应用目前，压力容器行业在设计领域有两种方法：常规设计方法与应力分析方法，常规设计执行基本标准为GB150、应力分析方法执行标准为JB4732。

随着有限元计算方法在压力容器行业的推广应用，压力容器行业用材料及制造、焊接及检验等技术水平的提高，尤其是我国压力容器应力分析设计标准JB4732的颁布实施之后，分析设计在压力容器领域得到了广泛的应用，采用分析设计降低材料消耗、减轻设备重量，“该厚的厚、该薄的薄”，使材料的性能得到了充分的利用，并有效的提高了设备的整体安全性，真正实现了等安全度的设计理念，其经济效益和社会效益已得到了行业认可。

由于有限元计算方法系采用建立有限元模型后，施加载荷及约束进行求解，因此，适用于各种结构、任意形式的载荷，这是常规设计远远不能实现的，该特点不仅能有效利用材料，降低材料消耗，更为重要的是，它可以对任意载荷作用下得到相应的计算结果并予以合理评定，从根本上解决了常规设计无法实现的计算，因而使得压力容器在风险得到了全面的控制。

同时，我们也能注意到，有限元应力分析的方法也不是完美无缺的，由于所基于的模型和载荷过于理想化、理论化，无法完全模拟实际工程中可能出现各种结构缺陷、载荷偏差或无法人为确认因素等，因此，其分析结论与实际会出现偏差，而常规设计基于悠久的工程历史，积累了大量的工程经验，因此，在一些方面，其经验系数更加接近实际，尤其在密封结构的计算设计方面更显突出。

有限元应力分析方法对人员要求较高，除了具有一定的材料基础、力学基础以及一定的常规设计经验之外，还必须均有严谨认真的责任心，在结构模型及载荷边界条件合理准确的前提下，还应保证分析结果的收敛性。

此外，目前，我国应力分析设计标准要求材料使用温度限制在蠕变温度之内，对超出蠕变温度的静载荷评定及疲劳评定尚未有具体规定。