压力容器应力分析设计：简介与指南

传统的压力容器标准及设计规范，一般均属于规则设计（Design by Rule）或称为按公式设计（Design by Formulae）。它基于弹性失效准则，认为容器内某点的最大应力一旦达到屈服极限R_eL（σ_s），即为失效。常规设计方法简单，使用历史较长，积累了丰富的工程设计经验，目前仍在压力容器设计中占重要地位，是最常用、非常简便的设计方法，例如ASME Ⅷ-1、EN13445Part 3的正文和GB 150.1～150.4—2011等设计规范标准。但随着高参数压力容器在工程中的使用，元件结构、材料和载荷类型的多样化，以及一些形状公差超标元件的出现，规则设计的局限性也显现出来。人们逐步认识到，即使某些部位的应力大大超过材料屈服极限也能安全操作。由于工况、载荷复杂，工程结构中应力分布不均匀，人们发现，规则设计以最大应力点进入塑性作为失效判断依据，或者低估了材料的承载潜力，或者分析不足。此外，在高温高压容器中，温差应力、内压应力与壁厚要求之间的矛盾，以及反复加载条件下结构中的疲劳裂纹等问题，规则设计都无法合理解决。

与规则设计相比，以应力分析为基础的设计更具有针对性。应力分析设计法对在规则设计未予包括，或虽然包括但形状公差超标或载荷异常的元件，主要采用有限元法求解应力，通过弹性或弹-塑性理论分析评定所设计元件的合理性，使得超出规则设计中的结构、形状，以及循环载荷（疲劳、棘轮）的分析、设计过程更为细化。目前国际上有两类影响重大的分析设计规范：美国ASME Ⅷ-2和欧盟EN 13445的部分设计内容。

ASME Ⅷ-2（2007版）设计部分分为按规则设计（Design by Rule）和按分析设计（Design by Analysis）两部分，前者包括了和ASME Ⅷ-1相同甚至略多的压力容器常用元件，也采用了应力分类及其评定的理念，但都是以简单公式表示的方式列出。对一般常用的压力容器，如果采用ASME Ⅷ-2，即另一规则设计，其手续和ASME Ⅷ-1基本相同，但这是贯彻了应力分析及其评定主要理念的“另一规则”。ASME Ⅷ-2按分析设计部分仅指在按规则设计部分未予包括，或虽然包括但形状公差超标或载荷异常的元件，一般都指由弹性或弹-塑性有限元求解，并给予不同的安全校核条件。

EN13445在设计部分的正文总体上和ASME Ⅷ-2相似，即引入了应力分类及其评定的理念，但采用以公式直接表示的方法，即DBF（Design by Formula）法，并且包括了简化的和详细的两种疲劳寿命评定方法。在附录B和C中分别列入了直接法（Direct Route）和基于应力分类（Method Based on Stress Categories）的两种按分析设计方法，适用于在正文中未予包括或形状公差超标的元件。基于应力分类设计方法与ASME Ⅷ-2按分析设计类似，但应力分类时采用的方法不同于ASME Ⅷ-2。

ASME Ⅷ-2应力分析设计法（Design by Analysis）着重于防止塑性垮塌（Plastic Collapse）、局部失效（Local Failure）、由于失稳引起的垮塌（Collapse From Buckling）、由于循环载荷（疲劳、棘轮）（Failure From Cyclic Loading）等失效模式引起的失效。(www.xing528.com)

EN13445直接法考虑了以下五种失效模式：总体塑性变形（Gross Plastic Deformation）失效，简称GPD-失效；渐增塑性变形失效（Progressive Plastic Deformation），简称PD-失效；稳定性（Stability）失效，简称S-失效；疲劳失效，简称F-失效；静平衡（Static Equilibrium）失效，简称SE-失效。

我国目前所使用的压力容器分析设计规范为JB4732—1995。

本章主要介绍压力容器应力分析设计中常用到的理论基础、分析设计的内容以及容器分析设计中所使用的手段、方法等。应该说明的是，按分析设计设计、选材、制造等各方面要求高，需要具有高水平数值分析能力的技术人员才能胜任，设计具有较高难度，设计时间长，费用大。