1.与失效相关的术语
(1)失效
结构失效是从正常工作状态过渡到故障状态的一种现象,正常状态是指结构满足一定要求,故障状态是指结构不能满足其要求。
任何结构的失效都不能精确地、确定地预测,它仅仅能够由结构的随机性能以及结构所受的载荷来表征。
(2)失效模式
失效模式是一个用在对结构失效进行分类的术语。通过一个简化的假设,即结构失效仅仅能以有限数量的模式发生,模式是一个失效发生方式的描述。失效模式可以看成是一组一般且可能连续发生的失效的组成元素。
直接法考虑如下六种主要失效模式:
1)总体塑性变形失效:在一次加载情况下产生过量的总体塑性变形,并最终达到塑性极限状态而垮塌(即失去承载能力)。
2)渐增塑性变形失效:又称棘轮失效,在超过安定极限的恒定与循环载荷联合作用下(例如恒定压力加壁厚方向的循环热梯度),每次循环都会朝同一方向产生一定量的总体塑性变形,随着循环次数的增加,积累而成过量的总体塑性变形,并最终导致破坏。
3)失稳失效:若容器或薄壁部件中存在较大的薄膜压应力区,当载荷达到临界载荷时会发生弹性或弹塑性屈曲。
4)疲劳失效:在循环载荷作用下形成疲劳裂纹,并最终导致泄漏或断裂。
5)静力平衡失效:因倾覆或支承位移(如地基沉降)引起容器或其任何部分作为刚体而失去静力平衡。
6)蠕变失效:结构长期在高于蠕变温度的环境中工作,发生断裂或过量变形。
(3)极限状态
极限状态是一种结构状况。超过极限状态,就不能满足部件的设计性能要求。极限状态分为最终极限状态和功能性极限状态。极限状态可能和无限制的塑性流动、塑性垮塌、爆破、最终载荷、(功能性)位移极限等相关。
最终极限状态是与爆破、垮塌或其他能危害人民生命安全的结构失效模式相关的结构状态(零部件或容器)。最终极限状态包括:总体塑性变形失效、疲劳引起的断裂、容器的整体或部分不稳定引起的垮塌、容器的整体或部分失去静平衡、倾覆、位移以及影响安全的泄漏。为了简单起见,用垮塌前的一些结构状态来代替垮塌状态,也可以作为最终极限状态来处理。
功能性极限状态是零部件或容器整体超过了给定的功能性准则并且不能够再满足该准则的结构状态。功能性极限状态包括:能够严重地影响容器的使用(包括机器或功能的正常作用),或者引起结构或非结构单元的损坏的变形或位移。功能性极限状态能够影响容器的正常使用,但不能够危及安全或引起不能够接受的环境污染的泄漏。依据危险程度,泄漏可能产生最终极限状态或功能性极限状态。
2.与载荷有关的术语
(1)作用
作用指所有加在结构上引起应力或应变的热-机械响应,如施加的压力、集中力,施加的位移以及施加的温度等。作用包括了单个作用的组合,但不包括下列作用:如体力的、物理的、化学的或生物的作用,虽然这些作用对结构的安全性可能产生影响,但是在分析设计中,仅仅考虑那些引起应力和(或)应变的作用。例如,这个定义所包括的结构自重、压力以及施加的表面力、温度变化、在结构连接处或基础上施加的位移,再如,由于温度变化或结构沉降产生的位移。
根据时间的变化及发生的可能性,作用可分为四类:永久作用;温度、压力以及与确定压力和温度有关的作用;变化作用,除了温度、压力以及与确定压力和温度有关的作用;意外作用。
永久作用的例子:结构或相关零部件、辅助设备以及固定设备的自重。
变化作用的例子:施加的位移、风载荷与雪载荷、地震激励载荷,所有在预期的条件下所有的预期能达到的地震震级。
尽管压力和温度是变化作用,但是它们在时间、随机性质的变化上具有特殊的特征,因而,将其单独分类成特别的等级。温度变化具有双重作用,它们既能在结构中产生应力,又能改变材料性质,特别是和强度有关的性质。
意外作用是发生的可能性非常低的变化作用,如果发生了意外作用,就需要停车和/或对压力容器进行检查。意外作用的例子:由于主外壳体失效而作用在次外壳体上的作用、内部爆炸形成的作用、风载荷或地震载荷等。这些载荷具有极低的发生可能性,属于在预期的条件下,不希望发生的意外载荷。
(2)载荷工况
载荷工况是同时发生的几个载荷的组合。载荷工况分为正常操作载荷工况(NOLCs)、特殊载荷工况(SLCs)、意外载荷工况(ELCs)。
正常操作载荷工况是指正常操作期间(包括开车和停车),作用在压力容器上的载荷。
特殊载荷工况是载荷在压力试验、建造、安装或维修期间的载荷工况。
意外载荷工况是指发生可能性非常低的载荷工况,意外载荷发生时要求安全停车,对容器或工厂进行检查。
3.与响应相关的术语
(1)结构应力/应变
结构应力/应变是在一个无应力集中模型中的应力或应变。结构应力或应变包括了总体结构细部的影响,例如,接管连接、圆锥体和圆柱壳的连接、筒体和封头的连接、厚度的不连续、补强、带有总体影响的设计形状的偏离等,但是不包括局部结构干扰源影响,如小倒角、焊趾、不规则的焊缝形状、小(部分穿透)开孔,以及局部温度场等。
(2)理论应力集中系数
在单向应力状态下,理论应力集中系数是总应力与线弹性模型中结构应力的比值。在多向应力状态下,理论应力集中系数是总应力与相应的等效应力的比值。在疲劳设计校核时,理论应力集中系数与结构应力的总应力有关,因而,理论应力集中系数仅仅考虑了由于结构干扰源而产生的应力集中,或者在超过非线性分布的厚度之上的热应力。
4.与设计校核有关的术语
(1)设计校核
设计校核就是在特定载荷作用下,就给定的失效模式,对部件的安全性进行分析研究。通过设计模型在设计载荷作用下的响应,即设计载荷在设计模型上的响应,进行满足设计校核原理的研究,来评定零部件的安全性。对于在设计校核原理中给定的失效模式要求,如果设计载荷组合的响应能满足这些要求,那么相对于这些失效模式,零部件就是安全的。在标准的相关范围内,对每一个相关的失效模式,都有一个相应的设计校核。设计校核是根据所涉及的主要失效模式而命名的,一般来说,每一个设计校核包括各种载荷工况。(www.xing528.com)
当计算温度在材料蠕变温度以下时,需要考虑以下五种设计校核:
1)总体塑性变形设计校核(GPD-DC)。
2)渐增塑性变形设计校核(PD-DC)。
3)稳定性设计校核(S-DC)。
4)疲劳设计校核(F-DC)。
5)静平衡设计校核(SE-DC)。
当计算温度在材料蠕变温度范围内时,需要另行考虑以下三种设计校核:
1)蠕变断裂设计校核(CR-DC)。
2)过度蠕变应变设计校核(ECS-DC)。
3)蠕变疲劳交互作用设计校核(CFI-DC)。
(2)设计模型
设计模型是确定载荷响应结构的物理或数学模型。设计模型的几何尺寸与设计校核有关。根据设计校核的不同,设计模型可以包括局部结构干扰源,也允许使用无应力集中模型。设计模型的本构关系与设计校核和结构的材料有关。根据设计校核的不同,本构关系可以是线性的,也可以是线弹性理想塑性的。根据结构、载荷以及设计校核,数学设计模型可以是几何线性的,也可以是几何非线性的,即施加到变形后结构的非线性机动关系和平衡条件。
(3)载荷特征值
载荷特征值是考虑载荷变化的一个代表值。矢量载荷或者载荷组合的分量大小的特征值是载荷大小极值的代表值,或者是考虑极值的统计变量和/或极限状态下装置(如果存在固有极限,则由固有极限直接给定)的性质时的代表值。如果考虑的极值是最大值,那么这个特征值就称为上限特征值;如果考虑的极值是最小值,那么这个特征值就称为下限特征值。
特征值是极值、给定的(上限或下限)值的百分比、预期的极值以及固有极限对应值的统计平均值,或者在意外载荷工况下,可以单独地等于上述各个值以及给定值。特征值可能与空间相关,并且不仅与载荷有关,还与设计校核和载荷工况有关。例如,在正常操作载荷工况中,必须考虑某一个载荷的值,因为该值是在预期的条件下发生的,而且给定的发生次数较小;在进行总体塑性变形、结构失稳等设计校核时,这样的载荷值一定要包括在确定载荷特征值当中。但是在进行疲劳设计校核时,就不包括这样的值。又如,对于压力试验载荷工况,试验压力值必须包括在确定载荷特征值当中,但是在正常操作载荷工况中,不考虑试验载荷。意外载荷的情况是非常明显的,该载荷一定要包括在意外载荷工况当中,但是在其他载荷工况下,不考虑意外载荷。
(4)载荷特征函数
在某些情况下,载荷的响应与载荷对时间的相关性有关。例如,热应力与流体热瞬变的时间相关性有关。在这些情况下,在给定的设计校核中,如与疲劳、渐增塑性变形以及结构失稳等有关的设计校核,就有必要确定并给定这些载荷的时间特征函数。在其他情况下,循环或者重复发生的载荷状态的次序是非常重要的,而变化的瞬时频率并不重要。在这样的情况下,这些载荷的特征函数定义为类时间参数的函数,这个参数定义了载荷状态的次序。对于不同的设计校核,需要给定不同的特征函数。
(5)部分安全系数
部分安全系数是为了得到相应的设计值而施加在载荷的特征值或材料强度参数上的系数。
1)载荷的部分安全系数乘以载荷特征值就得到载荷的设计值。
2)材料强度参数特征值除以材料的部分安全系数就得到材料强度参数设计值。
3)模型抗拉强度的极限值除以抗拉强度的部分安全系数就得到抗拉强度的设计值。
4)载荷的部分安全系数乘以载荷特征函数就得到载荷的设计函数。
5)载荷的部分安全系数与载荷、设计校核和载荷工况有关。
6)材料强度参数的部分安全系数与材料类型、设计校核和载荷工况有关。
7)部分安全系数考虑了下列因素:
①载荷与其载荷特征值或特征函数非保守偏离的可能性。
②模型材料本构关系的不确定性。
③载荷随机模型的不确定性。
④载荷是否存在有利或不利的影响因素,例如,在某种载荷工况下,结构零部件的重量可以抵抗控制载荷,比如压力,因此零部件的重量是有利的影响;另一方面,零部件的重量可以和压力相互作用,因此重量就存在不利的影响,在这两种相应的载荷工况下,重量的部分安全系数应取不同的值。如果不能确定哪一个载荷是控制载荷,那么,就需要对将这些载荷作为单独的载荷工况来考虑。
⑤材料强度参数与其特征非保守偏离的可能性。
(6)载荷工况清单
载荷工况清单是由制造商给定的载荷、载荷特征值、特征函数以及部分安全系数组成的列表。对于循环载荷,载荷工况清单还包括了载荷设计循环数。对于设计的零部件操作温度在蠕变范围情况下,载荷工况清单还包括了设计寿命。对每一个载荷工况,都有一个相应的载荷工况清单。所有在载荷工况清单中所列的载荷特征值都要考虑可能同时发生的情况。同时,考虑在任何时间所列的特征函数的值都能同时发生。在载荷工况清单中应给定部分安全系数,部分安全系数根据EN113445-3附录B中的部分安全系数清单来唯一确定。部分安全系数也与设计校核有关,通常要求在一个载荷工况清单里列出不同相关设计校核的不同载荷值。
(7)原理
原理有两方面的意思:一方面是指在设计校核中总体性的或确定性的描述,另一方面是指在设计校核中的要求或设计模型的总体性的或确定性的描述。
(8)应用准则
应用准则是用在设计校核中,针对一般的情况下能服从、满足原理要求的公认准则。假如可以证明替代准则能够符合相关的原理并且至少在可靠性、功能性以及耐久性上与具体的准则相等效的话,那么也可以使用不同于具体应用准则的替代性准则。
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