压力容器应力分析设计方法的进展和评述
基于JB4732标准的压力容器应力分析
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。
压力容器应力分析与安全设计
钢制压力容器 用材料许用应 力的取值方法
碳素钢或低合金钢>420℃，铬钼合金钢>450℃， 奥氏体不锈钢>550℃时，同时考虑基于高温蠕变极限
或持久强度
的许用应力
即
或
压力容器应力分析与安全设计
表9-2 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法
材料
许用应力 取下列各值中的最小值/MPa
压力容器应力分析与安全设计
3. 对边缘应力的处理
若用塑性好的材料制造筒体，可减少容器发生破坏的危险 性。 正是由于边缘应力的局部性与自限性，设计中一般不 按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对 于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。
压力容器应力分析与安全设计
第二节 压力容器的安全设计
压力容器设计是保障压力容器安全的首要环 节。压力容器设计从安全角度包括强度安全设计和 结构安全设计，两者都离不开正确选材，不同材料 的容器的承载能力与结构可靠程度是不同的。
碳素钢、低合金 钢、铁素体高合
金钢
奥氏体高合金钢
压力容器应力分析与安全设计
4、焊接接头系数——焊缝金属与母材强度的比值，反映容器 强度受削弱的程度。
焊缝缺陷
夹渣、未熔透、 裂纹、气孔等
焊缝热影响区晶粒粗大
薄弱环节
母材强度或塑性降低
影响因素
接头形式 无损检测要求及长度比例
压力容器应力分析与安全设计
焊缝系数的大小与材料的焊接性能、被焊母材的厚度、焊接 结构、坡 口型式、焊接方法、焊缝无损检测长度比例以及焊前 预热处理及焊后热处理等因素有关。目前我国《钢制压力容器》 中的焊缝系数主要依据焊缝结构、坡口型式、无损检测的要求等 确定。焊缝系数的选择见下表。
压力容器应力分析报告
压力容器应力分析报告引言压力容器是一种用于储存或者输送气体、液体等介质的设备。
由于容器内的介质压力较高，容器本身需要能够承受这种压力而不发生破裂。
因此，对压力容器进行应力分析是非常重要的，它可以帮助我们判断容器的安全性并提供设计和改进的依据。
本报告旨在对压力容器进行应力分析，以评估其在工作条件下的应力分布情况，并根据分析结果提出相应的建议和改进措施。
1. 压力容器的工作原理和结构在进行应力分析之前，我们首先需要了解压力容器的工作原理和结构。
1.1 工作原理压力容器通过在容器内部创建高压环境来储存或者输送介质。
这种高压状态可以通过液体或气体的压力产生，也可以通过外部作用力施加于容器上。
容器的结构需要能够承受内部或外部压力的作用而不发生破裂。
1.2 结构压力容器通常由壳体、端盖、法兰、密封件等部分组成。
壳体是容器的主要结构部分，可以是圆柱形、球形或者其他形状。
端盖用于封闭壳体的两个端口，而法兰则用于连接不同部分的容器或其他设备。
密封件的选择和设计对于保证容器的密封性和安全性至关重要。
2. 压力容器应力分析方法在进行压力容器应力分析时，我们可以采用不同的方法和工具。
下面将介绍两种常用的应力分析方法。
2.1 解析方法解析方法是一种基于数学模型和理论计算的应力分析方法。
通过建立压力容器的几何模型和材料性质等参数，可以使用解析方程和公式计算容器内部和外部的应力分布情况。
这种方法适用于简单结构和边界条件的容器，具有计算简单、速度快的优点。
2.2 有限元方法有限元方法是一种基于数值计算的应力分析方法。
它将复杂的压力容器分割成有限个小单元，通过求解每个小单元的应力状态，再将它们组合起来得到整个容器的应力分布。
有限元方法可以考虑更多的几何和材料非线性，适用于复杂结构和边界条件的容器，具有更高的精度和可靠性。
3. 压力容器应力分析结果和讨论在进行压力容器应力分析后，我们得到了容器内部和外部的应力分布情况。
根据具体的分析方法和参数，以下是一些可能的结果和讨论。
2、压力容器应力分析
r——平行圆半径； R1（经线在B点的曲率半径）——第一曲率半径； R2（与经线在B点处的切线相垂直的平面截交回转曲面得一平面曲线，该
平面曲线在B点的曲率半径）——第二曲率半径，R2=r/sinφ 考虑 壁厚，含纬线的正交圆锥面能截出真实壁厚，含 平行圆的横截面不能截出真实壁厚。
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b. 球形壳体
压力容器应力分析
任一点M：p=ρgR(1-cosφ)
注：充满液体
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经推导得：
gR 2
6t
(1 2 cos2 ) 1 cos
gR 2
6t
(5 6 cos 2 cos2 ) 1 cos
gR 2
6t
(5 2 cos2 ) 1 cos
t
gx
, 则
(0 gx)R
t
注：容器上方是封闭的
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p0
t
R
σφ
σφ
径向朝外的p0相互抵消，产生σθ而与σφ无关，朝下的p0由筒底承担， 筒底将力又传给支座和基础，朝上的p0与σφ相平衡：
2πRtσφ=πR2p0
则
p0R 2t
若容器上方是开口的，或无气体压力（p0=0）时，σφ=0
薄壁圆筒 厚壁圆筒
Do/Di≤1.1 Do/Di>1.1
压力容器应力分析 t——壳体厚度 R——中间面曲率半径
Do——圆筒外径 Di——圆筒内径
3
2.1.1 薄壁圆筒的应力
压力容器应力分析
σφ ——经向应力（轴向应力）；σθ——环向应力（周向应力）σr— —径向应力，很小、忽略
4
压力容器应力分析
压力容器应力分析设计方法的进展和评述
压力容器应力分析设计方法的进展和评述发表时间：2020-12-09T07:31:35.988Z 来源：《中国科技人才》2020年第23期作者：袁甜[导读] 对压力容器进行全面的设计与分析，是确保压力容器使用安全性以及促进其使用过程中的性能作用充分发挥的重要前提和基础。
中石油华东设计院有限公司北京分公司摘要：对压力容器进行全面的设计与分析，是确保压力容器使用安全性以及促进其使用过程中的性能作用充分发挥的重要前提和基础。
本文将结合压力容器使用过程中受载荷作用影响的应力与变形情况，针对压力容器的应力分析设计方法及其研究进展进行论述，以为有关实践及研究提供参考。
关键词：压力容器；应力分析；设计方案；研究进展；评述压力容器作为一种特种设备，主要用于液体、气体等的储存，并且它在使用过程中会承受一定的压力，对设备的安全性要求非常高。
因此，为确保压力容器的使用安全性，同时对压力容器使用过程中的性能作用充分发挥及其设计使用的安全寿命周期等进行保障，就需要加强对压力容器的设计分析与设计方法等进行严格控制和管理，从而避免各种压力容器设计与使用安全问题发生。
当前，为实现压力容器使用的安全性保障，对压力容器设计制造的结构合理性与制造简便性、使用可靠性、设计合理性、整体造价经济性等目标要求进行满足，我国有关部门也结合压力容器的设计制造和使用情况，进行了相应的标准、规范以及技术要求等制定，并不断从压力容器的设计制造和使用实际出发，对其进行改进和完善，为压力容器的设计制造和使用提供了较为全面依据和支持，具有十分积极的作用和意义。
下文将通过对压力容器使用过程中受载荷作用影响的应力与变形情况分析，针对压力容器的应力分析设计方法及其研究进展进行论述，以供参考。
1压力容器使用中受载荷作用影响的应力与变形情况分析结合压力容器的使用情况，其使用过程中所承受的载荷作用，主要是指能够对压力容器产生应力与应变作用影响的各种因素，比如地震载荷、压力作用以及风载荷等等，而压力容器的全寿命周期内所受到的载荷影响，主要表现由压力与非压力载荷、交变载荷等，在上述各种载荷作用中，压力载荷是最为基本的载荷因素，包含内压与外压载荷等，即对压力容器存在影响的绝对压力与表压。
关于压力容器分析设计中的应力分类方法
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。
压力容器设计中的应力分析与优化
压力容器设计中的应力分析与优化摘要：压力容器作为储存和运输压力物质的设备，在工业生产中扮演着重要角色。
由于其特殊性和复杂工作环境，容器壁面常受高压力和负荷作用，容易出现应力集中和应力腐蚀等问题，从而导致容器失效和严重事故的发生。
为确保压力容器的安全性和可靠性，应力分析与优化成为关键的设计环节。
本文探讨了压力容器设计中的应力分析方法，包括有限元法、解析法和试验方法，并提出了相应的优化策略，包括材料选择、结构设计、加强筋设计和压力分布均衡等方面。
强调了数值仿真与实验验证在优化策略中的重要性，通过综合运用这些方法，可以有效提高压力容器的性能和可靠性，确保其在各种复杂工况下安全运行。
关键字：压力容器，应力分析，优化策略，有限元法，解析法一、引言随着工业技术的不断发展和应用的不断扩大，压力容器作为一种重要的储存和运输压力物质的设备，在各行各业都扮演着不可或缺的角色。
由于压力容器的特殊性和工作环境的复杂性，容器壁面常常受到高压力和负荷的作用，导致应力集中和应力腐蚀等问题。
这些问题会导致容器的失效，从而引发严重的事故，对人员和环境安全造成严重威胁。
二、应力分析方法在压力容器设计中，应力分析是评估容器壁面应力分布和变形情况的关键步骤。
准确的应力分析可以揭示潜在的应力集中区域，为后续优化设计提供依据。
在应力分析中，常见的方法包括有限元法、解析法和试验方法。
2.1 有限元法：有限元法是目前最为广泛应用的应力分析方法。
它将复杂的容器结构离散为有限个简单单元，通过数值模拟的方式求解得出容器的应力分布。
有限元法能够考虑材料的非线性特性、几何的非线性变形以及复杂的边界条件，适用于各种复杂结构的压力容器。
在有限元分析中，需要建立容器的几何模型，将其划分为有限元网格。
根据材料特性、加载条件和边界条件，设定模拟参数。
通过迭代计算，求解得到容器内部应力和变形的数值结果。
有限元法具有高精度和较好的灵活性，可以在设计过程中快速验证多种设计方案的性能，是压力容器设计中不可或缺的分析手段。
压力容器应力分析设计方法的进展和评述
压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器在工业生产中的应用越来越广泛，但是压力容器在使用过程中会受到制作反应介质压力等多种荷载压力的影响，要想使压力容器在使用过程中能够发挥出最大作用，并且提高其使用寿命，需要合理设计压力容器的各种荷载，通过分析压力容器在荷载作用下的用力变形，提出相关的改进措施，有利于提高压力容器的经济效益。
标签：压力容器;应力分析;设计方法压力容器通常情况下是储存液体、气体的密封设备，在使用过程中需要承载一定的压力，因此对压力容器的安全性提出了更高的要求。
合理分析压力容器的应力分析和选择合适的设计方法非常重要。
在确保压力容器的正常使用的前提下，在最大程度上实现压力容器的经济目标。
我国根据压力容器的使用情况，出台了相关标准以及技术要求等。
不断对压力容器进行改进，使压力容器的设计，制造，检验以及使用等环节都能得到充分保障，实现了压力容器的迅速发展。
1压力容器概述1.1概念压力容器是指盛装气体或液体的设备，需要承载一定压力的密闭设备。
压力容器主要包括：储运容器、反应容器、热换器以及分离器。
1.2用途压力容器的应用非常广泛，压力容器在石油化工，能源工业，科研与军工等国民经济各个部门都是非常重要的设备。
压力容器一般包括筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等部分组成。
另外，压力容器还配有安全装置、仪表设备以及配合生产工艺作用的内部原件，由于压力容器是密封、承压设备，因此在使用过程中容易发生爆炸，火灾等安全事故，从而造成人员伤亡和环境污染，因此需要合理运用压力容器，防止安全事故的发生。
2压力容器应力分析设计方法压力容器是工业生产中的重要工具，在工业生产中发挥着重要作用，但是压力容器在使用过程中也存在一定的危险性，会严重影响工作人员的人身安全以及周围环境，如果压力容器得不到较好利用，会造成严重后果。
压力容器应力是指受到外界因素的影响，在物体内部各种因素产生的相互作用，抵抗外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到原有位置，因此加强压力容器的应力分析是非常重要的研究课题。
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压力容器应力分析设计方法的进展和评述
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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。
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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。
最突出的表现为:
2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。
和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。
2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。
另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。
随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。
在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。
先进的材料、工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。
应力分类法
3.1.应力分类法是当今分析设计的主流方法
应力分类法有如下优点:
3.1.1.简单。
采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。
应力评定时直接给出各类等效应力的许用值,因而应力分类后的强度校核与常规设计类似。
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3.1.2.通用。
采用有限元软件可以对任何结构形状和载荷工况进行弹性应力分析。
3.1.3.保守。
各类应力的许用极限“已经设定在保守的水平上”,因此总体上是一种偏保守的设计方法。
3.1.
4.成熟。
自1965年在ASME第Ⅲ卷正式颁发以来已经应用了49年,已被世界各国普遍采用,并公认为先进的压力容器设计方法。
正是因为这些优点,应力分类法仍然是当今压力容器分析设计的主流方法。
虽然ASME新版和欧盟标准都扩充了基于弹塑性分析的新方法,但都并列地推荐了应力分类法,而不是“不推荐采用基于应力分类的分析设计方法”。
目前在工程上真正应用ASME新版进行设计的实例尚未见报道,由于基础数据的缺乏和对新的设计方法没有研究清楚,国际上的知名工程公司均不允许在工程上直接采用ASME新版,仍然沿用ASME老版进行设计。
3.2.用于应力分类的等效线性化处理方法
ASME新版和欧盟标准EN在全面继承应力分类法的基本思想和基本规则的同时,还对其实施方法作出了如下关键性的增补:
3.2.1.把经济、有效且已被工程界广泛采用的数值(有限元)分析方法作为分析设计的主要手段引入应力分类法,并规范了具体实施步骤。
3.2.2.明确肯定了有限元计算结果的等效线性化处理方法,用较多的篇幅给出了详细论述。
关于线性化处理得到的非线性应力是否是峰值应力的问题,ASME新版中明确表示“应力分量沿贯穿壁厚的应力分类线(SCL)积分,以确定薄膜和弯曲应力分量。
峰值应力分量可以直接利用本方法通过将总应力分布减去薄膜加弯曲应力分布而得到”。
分析设计中应力分类及其
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应用
压力容器在外载荷作用下,满足了平衡条件与变形协调条件后,容器各个部件中的应力按其性质分为以下三类:
4.1.一次应力
一次应力是因外载荷作用而在容器部件中产生的正应力或剪应力。
它没有“自限性”,它的基本特点是当它超过材料屈服极限时将产生过渡的变形而破坏。
一次应力又分总体薄膜应力、一次弯曲应力和局部薄膜应力。
例如承受内压圆筒的器壁中的环向应力即为总体薄膜应力;平封头或顶盖中央部分在内压作用下产生的应力即为一次弯曲应力;壳体在固定支座或接管处由外载荷和力矩产生的应力为局部薄膜应力。
4.2.二次应力
二次应力是由于容器部件的自身约束或相邻部件的约束而产生的正应力或剪应力。
它的基本特点具有“自限性”,即局部屈服和小量变形就会使约束缓和、变形协调,只要不反复加载,二次应力不会引起容器结构破坏。
4.3.峰值应力
峰值应力是因局部结构不连续或形状突变引起的局部应力集中,它具有最高的应力值。
它的基本特点具有“自限性”和“局部性”,峰值应力不会引起容器明显的变形。
总而言之，在压力容器得到了广泛使用的同时，我们要更加重视对其进行分析，深入分析其设计过程中需要注意的问题，以不断提高压力容器应力分析设计的水平。
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