壓力容器分析設計的應力分類法與塑性分析法

宋誠

摘要：壓力容器在石油化工行業的應用非常廣泛，通過分析壓力容器分析設計的應力分類法與塑性分析法的發展，可以實現壓力容器應用前景的擴大，并為其良好運行提供參考意見。進一步推動壓力容器在石油化工行業的應用，有效提高壓力容器的經濟效益。

關鍵詞：壓力容器;應力分類法;塑性分析法

近年來很多研究學者對壓力容器的工作原理、性能等方面進行研究，并取得了顯著效果。以往的壓力容器在設計過程中，都是采用薄膜應力的方式進行設計，將其他應力影響包括在安全系數之中。但是在實際應用過程中，壓力容器及承壓部件中，除去介質壓力所形成的薄膜應力之外，還會受到熱脹冷縮變形而導致的溫差應力以及局部應力，因此，在進行壓力分析設計時，需要利用應力分類法和塑性分析法，才能夠明確不同應力對壓力容器安全性的影響，從而有效提高壓力容器的科學性和合理性。

1應力分類法

1.1一次應力

一次應力是指壓力容器因為受到外載荷的影響，壓力容器部件出現剪應力。一次應力超過材料屈服極限時壓力容器就會發生變形破壞。主要可以分為以下幾種情況：第一，總體薄膜應力。因壓力容器受到內壓的影響在殼體上出現薄膜應力，總體薄膜應力會在整個殼體上均勻分布，當應力超過材料屈服極限時，殼體壁厚的材料會發生變形。第二，局部薄膜應力。是指壓力容器的局部范圍內，應受到機械載荷或者壓力所導致的薄膜應力，其中主要包括支座應力以及力距所形成的薄膜應力。第三，一次彎曲應力。由于壓力容器受到內壓作用的影響，在平板蓋中央位置會出現彎曲引力，隨著載荷的不斷增加，應力會進行重新調整。

1.2二次應力

二次應力是指壓力容器部件受到約束而出現的剪應力。二次應力滿足變形條件。例如，在壓力容器的半球形封頭以及薄壁圓筒的連接位置，由于受到壓力容器內壓的作用，兩者會出現不同的徑向位移，因此兩者的連接部位會形成相互約束關系，出現變形協調情況。在這種情況下，連接部位會附加剪力應力，從而形成二次應力。二次應力的出現，也是由于局部范圍之內材料出現少量變形，相連部位之間約束緩和，變形協調化，變形不會繼續發展，將應力值限制在一定范圍之內。二次應力與其他應力疊加之后，如果不超過規定值，就不會導致壓力容器出現損壞。

1.3峰值應力

壓力容器的小孔邊緣、小圓角半徑以及接管根部等區域，由于結構出現變化或者是因為載荷變化，而導致局部壓力集中，則壓力容器就會產生峰值應力，峰值應力就是壓力容器最高應力值。峰值應力的出現會導致壓力容器出現斷裂、疲勞破壞的情況。并不會導致整個壓力容器的變形，局部熱應力屬于峰值應力，因為局部熱應力不會導致壓力容器整個結構出現明顯變形。

2塑性分析法

2.1非線性分析

（1）材料模型。壓力容器的選鋼一般具有良好的延展性，在一定范圍內的壓力變化始終服從胡可定律，當超過彈性極限以后壓力容器的材料應力變化不再是線性關系。因此在設計時需要使用應力分類法進行分析設計，假設材料始終屬于彈性形變，在進行彈塑性分析時需要考慮材料的非線性。

在計算極限載荷過程中，可以忽略彈性應變，僅考慮塑性應變，將材料簡化為剛塑性模型。在剛塑性模型基礎上，需要準確的考慮壓力容器彈性階段的特性，即理想塑性模型，考慮塑性變形后對材料的強化作用，使其應力應變曲線在塑性階段近似直線可以表示出塑性強化特性。

（2）屈服準則。對壓力容器進行單向拉伸實驗中所得出的應力應變曲線，能夠有效判斷壓力容器材料是否達到屈服值，然而，結合一般應力狀態需要結合屈服準則，判斷壓力容器是否發生塑性變形，在分析設計過程中，應當合理利用屈服準則。

（3）流動準則。流動準則主要是對壓力容器材料屈服過程中塑性應變方向進行充分描述，在進行壓力容器分析設計過程中，對于金屬材料可以選擇關聯流動準則。

2.2幾何非線性分析

在進行壓力容器分析設計的過程中，壓力容器結構的總剛度取決于每個單元方向以及單剛，壓力容器結構變形會導致單元形狀發生改變，從而影響壓力容器的總剛度。小變形對于總高度不會產生過大影響，這主要是由于在最初期幾何形狀的結構剛度中可以計算出小變形所發生的位移情況。利用有限元分析法計算出通過激活大應變效應以及幾何非線性的影響，大應變分析是根據當前結構形狀而發生的剛度矩陣更新，因此為了確保壓力容器分析設計，需要對幾何非線性進行詳細分析，并將其分析結果進行合理應用。

2.3塑性失效分析

壓力容器在進行分析設計的過程中，塑性失效是最為常見的問題之一，因此需要對其進行控制。塑性失效具有多種模式，塑性失效主要與加載歷史有關。一次加載情況下導致的塑性失效模式是屬性垮塌，就是產生過量的塑性變形，并使壓力容器喪失承載能力。一次加載是指載荷由零開始遞增逐漸增加到最大值的加載情況。在進行加載過程中，隨著載荷的不斷增加，壓力容器結構會發生彈性失效，塑性區不斷擴張進而發生塑性失效。假如采用理想塑性材料，復興區真的應力，只能限于壓力容器的屈服值。當壓力容器結構承載能力的各個界面上所有應力分布達到屈服極限時，結構將變成幾何變形從而喪失整個承載能力。因此在進行分析設計過程中，為了確保壓力容器的設計效果，就需要對塑性失效問題進行研究，確保壓力容器的穩定性和安全性。

3結束語

壓力容器的應用非常廣泛，為了提高壓力容器設計的經濟性、合理性、安全性等方面，需要對作用于壓力容器的應力進行分類，針對壓力容器所承受的不同應力，應力限制范圍也會有所不同。因此，在實際應用過程中，需要選擇合適的壓力容器設計方法，才能夠確保壓力容器的正常運行，提高壓力容器的工作效率能夠有效推動我國工業化建設的加快。

參考文獻：

[1]王震宇[1]，吳堅[1]，薛明德[1]，李世玉[2].壓力容器球冠形中間封頭的應力分析與設計方法[J].壓力容器，2018

[2]許守龍.壓力容器應力分類分析設計方法[J].一重技術，2018，No.182（02）：20-22.

[3]王超，何帥.分析壓力容器應力分析設計方法的進展和評述[J].大科技，2013（15）：278-279.