欧盟标准EN 13445的先进压力容器分析设计直接法

分析设计法作为压力容器设计的重要方法，不仅解决了压力容器规则设计不能解决的问题，也是压力容器设计观点和方法上的一次飞跃。分析设计法通常分为两类：应力分类法（弹性方法）和直接法（非弹性方法）。

1．应力分类法

应力分类法是通过弹性分析得到应力，然后对其进行分类，并限定许用应力，这些许用应力可以保守地防止塑性垮塌的发生。

20世纪60年代提出了弹性应力分析法。该方法的核心理念是弹性应力分析和应力分类，但运用解析法对复杂的三维结构进行详细的应力分析既不经济，也不现实。20世纪70年代至今，数值有限元技术的发展为弹性应力分析法的进一步广泛应用提供了新的途径。

目前，运用数值有限元技术进行弹性应力分析是分析设计中的主流方法，其主要步骤为：进行弹性分析，求出总应力分布；确定应力分类线；沿应力分类线对总应力进行线性化处理；对线性化后的应力进行分类；与许用应力极限进行比较。

压力容器按应力分类进行分析设计是20世纪70年代压力容器设计研究的新成就，它比按平均应力的规则设计更细致、更科学，结构材料的使用也更为合理。按这种设计思想进行容器设计时，必须先进行详细的应力分析，将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进行应力分类，分清主次，分别根据各类应力对容器强度影响的程度采用不同的安全系数和不同的许用应力加以限制，以保证压力容器在各类应力作用下既能安全、可靠地工作，又比较经济、合理。

应力分类主要依据以下两点：应力产生的原因与作用，即应力是平衡载荷产生的还是变形协调产生的。不同原因所产生的应力具有不同的性质，会导致不同的失效模式。应力的分布有两层含义：一是应力分布的区域是整体的还是局部的，整体的影响要大，局部的影响相对要小；二是应力沿壁厚的分布情况，不同的应力分布具有不同的应力重分布的能力。

由上可知，应力分析设计方法的基本出发点是：对容器上的各种应力进行分类，不同的应力在判据中赋予不同的权重。筒体与封头连接处的边缘效应区，在内压作用下，除了有薄膜应力外，还有为满足变形连续的弯曲应力；在压力作用下的管板与平封头，沿厚度上分布有弯曲应力。再如，在局部结构不连续处，如开孔或缺口部位，会出现应力集中现象，产生较高的局部应力。

2．直接法(www.xing528.com)

直接法是直接对载荷加以限制，真实地反映在载荷作用下压力容器的失效过程，主要是确定压力容器在载荷作用下的极限承载能力。直接法是采用极限分析或塑性分析及安定性分析，而不对应力进行分类。

过去，由于软硬件的限制，分析设计只能基于弹性分析和应力分类，这实际是无奈之举。当前，随着软硬件的飞速发展，完全可以得到可靠的塑性解，这为直接法的应用奠定了基础。2002年欧盟标准EN 13445首次提出了无须应力分类的压力容器分析设计直接法，2007年版的《压力容器建造另一规则》（ASMEⅧ-2）对总体塑性垮塌、局部失效、屈曲垮塌和循环载荷4种失效模式全面引入了弹塑性分析方法，也提出了直接法。

欧盟标准EN 13445强制性附录中包含的分析设计直接法，是一种先进的压力容器设计法，用来对压力容器进行设计校核，可作为规则设计方法的替代方法，是作为现代、有效、可靠、安全，能确保压力容器长期运行的设计方法。直接法考虑了压力容器常用材料具有良好的韧性，因而没有必要用塑性流动来判断其可用性。有限的塑性流动并不是一种失效模式。在压力实验和正常操作载荷工况下，允许发生有限的塑性流动，甚至塑性流动可以多次发生。直接法要求明确所用设计模型材料的本构关系及疲劳校核产生的塑性修正。塑性变形在压力容器设计中非常重要，而直接法往往是针对标准中的压力容器材料，即严格限制由有足够韧性的钢及铸钢等制造的压力容器材料，并且其操作温度低于材料发生蠕变的温度。

直接法和压力容器的失效模式直接相关，也就是所谓的设计校核。设计校核是根据与它们相关的主要失效模式命名的，但有些设计校核也与其他失效相关，而不是根据命名获得主要的失效模式。在一些设计校核里，考虑了特定的极限状态或给定的响应模型，研究了在特定的设计载荷作用下特定的设计模型响应。

尽管设计校核对结构行为也非常关注，但不能把设计校核和结构行为的模拟混淆。设计校核既不是结构行为的模拟，也不必对其进行模拟。设计者要研究的是设计模型的行为，这种行为的分析给出了真实结构可能行为的信息。设计校核的目的不是模拟真实结构的行为，而是根据失效模式校核一个设计的安全性。对设计校核相关的失效模式及特定载荷来讲，如果一个设计满足设计校核要求，就可以认为是安全的。

对于给定的设计校核和特定载荷，如果所有要求的校核都满足要求，那么就可以认为相对于这些特定载荷设计是安全的。换句话说，在特定载荷作用下，结构零部件的安全性是通过对相应设计载荷下设计模型响应分析评定而确定的。将分析的结果与特定极限或者特定响应模型进行比较，如果相关的材料、制造和压力实验也满足要求，那么这些结果就能够确保设计模型相对于特定载荷是足够安全的。

当计算温度在材料蠕变温度以下时，直接法需要考虑5种校核：总体塑性变形、渐增塑性变形、稳定性、疲劳和静平衡。当计算温度在材料蠕变温度范围内时，需要另行考虑3种校核：蠕变断裂、过度蠕变应变和蠕变疲劳交互作用。

需要考虑的设计校核并不意味着需要实际计算，因为相对于设计校核的失效模式可能是不相关的，或另外一个设计校核使要考虑的设计校核是多余的，或另外一个设计校核包括了当前设计校核的情况。尽管如此，这个设计校核还是要在设计文件中列出，要由设计者来确定是否需要进行另外的设计校核，并提出所有相关的设计校核，包括强制性的和可能相关的设计校核。