壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法的進(jìn)展和評(píng)述認(rèn)識(shí)實(shí)踐

熊維瓊

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

在我國工業(yè)高速發(fā)展的大背景下，相關(guān)設(shè)備、機(jī)械的生產(chǎn)與制造技術(shù)呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢(shì)，而壓力容器作為一種較為常用的工業(yè)設(shè)備，在設(shè)計(jì)與制造上，自然也得到了迅速的發(fā)展，其中，壓力容器的應(yīng)力分析十分重要，能夠提升壓力容器的安全性與經(jīng)濟(jì)性，對(duì)推動(dòng)我國工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義，有利于促進(jìn)我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 壓力容器應(yīng)力分析介紹

現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展中，工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展十分重要，能夠有效推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力水平的上升，推動(dòng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而壓力容器作為重要的工業(yè)工具，在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。然而，此容器具有一定的危險(xiǎn)性，如果容器本身存在設(shè)計(jì)問題，將會(huì)增加容器應(yīng)用過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，危及人身財(cái)產(chǎn)安全，也會(huì)造成環(huán)境的污染與破壞，后果十分嚴(yán)重。其中，應(yīng)力主要指容器所受到的外界因素與物體內(nèi)部因素相互作用抵抗，從而達(dá)到平衡效果，使得物體的變形能夠恢復(fù)到變形前的位置，趨于穩(wěn)定。

壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，操作較為簡易，且分析技術(shù)相對(duì)成熟，因此，部分國家在壓力容器設(shè)計(jì)上，仍舊采用的是此種方法，然而，此種技術(shù)在一定程度上，會(huì)存在較多的局限性與限制因素，在解決部分負(fù)荷與幾何結(jié)構(gòu)上存在較多的問題，且在一些條件要求較為精細(xì)的容器設(shè)計(jì)中，此方法的運(yùn)用更會(huì)受到限制。而應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用將安定荷載、極限荷載壽命等當(dāng)作界限的準(zhǔn)則，能夠更好地彌補(bǔ)常規(guī)設(shè)計(jì)法下的缺陷，可以針對(duì)部分特殊負(fù)荷的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體而言，應(yīng)力分析法所具有的優(yōu)點(diǎn)，主要在于以下幾個(gè)方面：首先，經(jīng)過近年來科技的發(fā)展，該方法在設(shè)計(jì)與運(yùn)用上，已經(jīng)相對(duì)成熟，且相關(guān)人員對(duì)此設(shè)計(jì)方法在多年的應(yīng)用后，經(jīng)驗(yàn)較為豐富，實(shí)際運(yùn)用的過程中也較為得心應(yīng)手。其次，隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的出現(xiàn)，此分析方法依托現(xiàn)代化的技術(shù)手段，能夠?qū)θ魏涡问交蚪Y(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，因此，具有較高的適用性與靈活性。

應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)，在于以下幾個(gè)方面：首先，此項(xiàng)設(shè)計(jì)方法使用時(shí)，需要對(duì)壓力容器以及相關(guān)的零部件進(jìn)行詳細(xì)的彈性應(yīng)力分析，同時(shí)，在分析的過程中，主要應(yīng)用計(jì)算、理論分析與試驗(yàn)?zāi)M等方式，通過對(duì)這些方式的綜合運(yùn)用，得到最終的正確結(jié)果。其次，應(yīng)用極限荷載，對(duì)一次應(yīng)力進(jìn)行有效控制，并用安定荷載對(duì)一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，同時(shí)，用疲勞壽命控制最大總應(yīng)力，以防止循環(huán)失效等問題的出現(xiàn)。最后，在實(shí)際分析中，需要依據(jù)相應(yīng)的原則確定危險(xiǎn)系數(shù)，對(duì)應(yīng)力的最大限值進(jìn)行確定，確定實(shí)際可承受應(yīng)力值。

2 壓力容器的應(yīng)力分析分類

壓力容器的應(yīng)力分析，可以依據(jù)出發(fā)點(diǎn)的不同進(jìn)行分類上的劃分，以更好地測(cè)定危險(xiǎn)系數(shù)，保證壓力容器能夠在各種應(yīng)力的作用下，都能夠安全與穩(wěn)定地進(jìn)行工作，具體而言，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分類。

2.1 依據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因進(jìn)行分類

由于產(chǎn)生應(yīng)力的原因不同，因此應(yīng)力也相應(yīng)地可以被劃分為不同的類別。例如，如果是由于物體外部的冷熱溫差因素形成的應(yīng)力，由于機(jī)械荷載所形成的應(yīng)力等，都可以依據(jù)形成因素進(jìn)行類別的劃分。冷熱溫差因素載荷，主要是由于物體自身的性質(zhì)、重量、結(jié)構(gòu)等，在溫差的變化下，給容器造成的負(fù)荷變化，或由于容器與其他容器的部分位置相連，給容器造成負(fù)荷，而同一個(gè)物體上不同位置的溫差載荷不同，或相連物體的不同溫差載荷，都會(huì)使應(yīng)力產(chǎn)生。

2.2 依據(jù)應(yīng)力導(dǎo)出方法進(jìn)行分類

依據(jù)應(yīng)力導(dǎo)出方法的不同，也可以進(jìn)行不同類別的分類。元件與元件在相互連接時(shí)，如果存在幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)，或載荷與材料性能不連續(xù)等情況，便有可能在介質(zhì)壓力的作用下，會(huì)有2種不同的應(yīng)力導(dǎo)出方法。第一種主要是由于元件應(yīng)力同介質(zhì)應(yīng)力之間，形成了靜力平衡關(guān)系，從而導(dǎo)出的應(yīng)力；第二種主要是由于不同的元件在連接的邊緣處受到介質(zhì)壓力，導(dǎo)致連接處出現(xiàn)變形，從而導(dǎo)出的邊緣應(yīng)力。這2種應(yīng)力都是由于介質(zhì)壓力所導(dǎo)致的，然而，后者是由于介質(zhì)壓力所直接形成的應(yīng)力，同第一種應(yīng)力之間有一定的差別，同由于溫差載荷形成的應(yīng)力在一定程度上較為相似。

2.3 依據(jù)應(yīng)力存在區(qū)域進(jìn)行分類

依據(jù)應(yīng)力存在的區(qū)域進(jìn)行分類，主要依據(jù)容器的不同位置存在的應(yīng)力，分析應(yīng)力是處于區(qū)域位置還是整體位置，從而進(jìn)行局部應(yīng)力與整體應(yīng)力的劃分。具體而言，由于介質(zhì)壓力對(duì)封頭或圓筒作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，通常會(huì)作用于整體區(qū)域，此類應(yīng)力便是整體應(yīng)力；而介質(zhì)應(yīng)力對(duì)封頭或與圓筒的連接處附近的一定區(qū)域內(nèi)所造成的作用，便會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力不均，只處于封頭處或圓筒連接處附近的一定范圍內(nèi)，此種便是區(qū)域應(yīng)力，而除了這種情況外，另一種情況，可能是載荷或者結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，產(chǎn)生了區(qū)域應(yīng)力。這兩種應(yīng)力所導(dǎo)致的最終后果，可能會(huì)存在一定的不同，整體性壓力會(huì)有較大可能對(duì)容器造成破壞，使得容器失效，而區(qū)域產(chǎn)生的壓力，則短時(shí)間內(nèi)可能不會(huì)對(duì)容器產(chǎn)生較大影響。

2.4 依據(jù)應(yīng)力性質(zhì)進(jìn)行分類

應(yīng)力性質(zhì)不同，對(duì)應(yīng)力進(jìn)行的分類也不同。具體而言，依據(jù)容器外壁與內(nèi)壁的厚度的不同以及方向均勻的不同，可以將應(yīng)力分為壓縮性應(yīng)力或拉伸性應(yīng)力。除此之外，也可以依據(jù)容器的內(nèi)壁與外壁的厚度方向是否呈現(xiàn)線性分布進(jìn)行分類，分為薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力，同彎曲應(yīng)力相比，薄膜應(yīng)力更容易造成容器失效。

3 壓力容器應(yīng)力分析計(jì)算的內(nèi)容

壓力容器在不同荷載的作用下，可能會(huì)出現(xiàn)變形、斷裂等現(xiàn)象，造成容器的損壞，給周邊環(huán)境造成破壞，危害工業(yè)作業(yè)人員的人身安全，為此，對(duì)其所進(jìn)行的安全管理工作十分重要，同時(shí)，在容器的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，也需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)毫θ萜鬟M(jìn)行正確的應(yīng)力分析，而應(yīng)力分析的主要內(nèi)容，在于以下幾個(gè)方面。

（1）荷載來源。荷載來源主要為一次應(yīng)力或二次應(yīng)力荷載。一次應(yīng)力主要指，由于受到外荷載的影響，致使壓力容器出現(xiàn)正應(yīng)力或剪應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過材料屈服限值的時(shí)候，就會(huì)造成容器的變形與損壞，此處的外荷載，可以是外部壓力、自身重力，也可以是風(fēng)力、地震等，對(duì)容器造成的荷載。一次應(yīng)力可具體分為總體薄膜應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力與一次彎曲應(yīng)力三種。二次應(yīng)力主要指壓力容器其自身，由于受到約束進(jìn)而形成的剪應(yīng)力或正應(yīng)力，可以是容器運(yùn)行時(shí)的熱脹冷縮所形成的應(yīng)力，也可以是當(dāng)容器發(fā)生位移時(shí)，所形成的應(yīng)力。在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)荷載來源進(jìn)行考慮，從而提升容器的安全性能。

（2）靜力分析。為了避免容器在應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)變形或損壞，便要對(duì)容器的內(nèi)壓荷載與其持續(xù)所受到的荷載進(jìn)行一次應(yīng)力的分析計(jì)算，同時(shí)，對(duì)位移與溫差荷載的二次應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)，還要對(duì)容器與相關(guān)連接設(shè)備的相互作用受力進(jìn)行分析，通過對(duì)上述分析的綜合考量，對(duì)破壞穩(wěn)定性的因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，才能夠保證壓力容器的穩(wěn)定性與安全性。

（3）動(dòng)力分析。在容器設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，可能會(huì)由于容器的位移或其他特殊情況，造成容器的移動(dòng)，而在這個(gè)過程中，如果容器本身設(shè)計(jì)存在問題，便有可能造成容器振動(dòng)或共振情況的出現(xiàn)。因此，便需要對(duì)復(fù)式壓縮機(jī)與往復(fù)泵等管線進(jìn)行動(dòng)力分析，同時(shí)，對(duì)氣液柱頻率、壓力脈沖的不均勻程度進(jìn)行分析，最后，對(duì)振幅進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，將壓力脈動(dòng)控制在可承受范圍內(nèi)。除此之外，還要對(duì)容器進(jìn)行一定的震動(dòng)防護(hù)裝置，提升容器的穩(wěn)定性。

（4）柔性容器設(shè)計(jì)分析。為了提升容器的安全性，避免容器由于一次變形發(fā)生破裂，便需要對(duì)容器進(jìn)行一定的柔性設(shè)計(jì)，使其能夠在合理的范圍內(nèi)承受變形或位移，為此，通常需要對(duì)容器的形狀、壁厚、受力走向等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，同時(shí)，也可以采用增設(shè)彈簧支吊架的形式，以增加容器的柔性。

4 利用有限元分析軟件進(jìn)行應(yīng)力分析

通常傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)方法，是對(duì)薄膜應(yīng)力或彎曲應(yīng)力與單一許用應(yīng)力進(jìn)行分析、對(duì)比與計(jì)算，從而對(duì)容器的外壁厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)方法較為便捷、簡單，所需要操作的步驟較少，能夠在一定程度上減少程序的復(fù)雜程度，然而，此種設(shè)計(jì)方式的缺陷，在于對(duì)受力情況的分析不夠準(zhǔn)確，不符合實(shí)際的受力情況。壓力容器在工作的過程中，會(huì)受到以此薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力等的綜合影響，因此，在進(jìn)行容器的設(shè)計(jì)工作時(shí)，便需要對(duì)這些因素進(jìn)行綜合的考量。應(yīng)力主要為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力與峰值應(yīng)力3個(gè)方面，通常較為常用的是峰值應(yīng)力分析法。峰值應(yīng)力主要是壓力容器內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象，或者，局部的熱應(yīng)力過于集中，從而導(dǎo)致疊加在一次應(yīng)力與二次應(yīng)力上的應(yīng)力增量受到影響，在這個(gè)過程中，所出現(xiàn)的最高應(yīng)力值，便是峰值應(yīng)力，對(duì)峰值應(yīng)力依據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行評(píng)定，便可以進(jìn)行壓力容器的應(yīng)力分析。隨著有限元分析軟件的發(fā)展，在應(yīng)力分析的過程中，應(yīng)用此分析法，能夠針對(duì)幾何形狀不規(guī)則、壁厚突變以及材料非線性等問題進(jìn)行有效的解決，使壓力容器可以在結(jié)構(gòu)與形式上進(jìn)行大膽的突破與創(chuàng)新，因此方法在一定程度上較為適用于非標(biāo)壓力容器的設(shè)計(jì)。由此可見，該方法能夠有效解決容器設(shè)計(jì)中，可能存在的大開孔、多接管的設(shè)計(jì)難題，也能夠有效解決常規(guī)設(shè)計(jì)所造成的容器材料浪費(fèi)、生產(chǎn)成本過高的問題，并能夠?qū)毫θ萜髟O(shè)計(jì)程序過多的情況進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，因此，具有重要的意義。該軟件在科技與技術(shù)的進(jìn)步下，功能日益完善，能夠滿足現(xiàn)階段內(nèi)容器設(shè)計(jì)的大部分需求，也因此，有限元分析在壓力容器的設(shè)計(jì)中愈發(fā)成為主要的手段之一，得到了廣泛的應(yīng)用。在此方法應(yīng)用過程中，需要解決的一個(gè)問題，在于對(duì)有限元軟件所計(jì)算出的最終結(jié)果如何進(jìn)行應(yīng)力分類與評(píng)定，而針對(duì)這一問題，便可以從等效線性化處理方法進(jìn)行入手。

有限元分析通常并不能夠直接得到對(duì)應(yīng)力受力作用沿著容器的外形路徑的分布表達(dá)式，為此，在線性化的過程中，首先，需要通過對(duì)擬合路徑上所存在的會(huì)受到應(yīng)力作用的點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分布曲線的確定，之后積分得到相應(yīng)的數(shù)值，對(duì)各點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算與分析。

5 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)生產(chǎn)中，壓力容器作為一項(xiàng)重要的工業(yè)用具，能夠?qū)ξ覈I(yè)事業(yè)的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用，同時(shí)，對(duì)我國的社會(huì)生產(chǎn)與人們的生活，都發(fā)揮著重要的作用。近年來，在科技發(fā)展的推動(dòng)下，壓力容器的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，因此，對(duì)其的相關(guān)設(shè)計(jì)，也需要相關(guān)人員能夠?qū)Π踩阅芘c穩(wěn)定性能的保證有充分的考慮，從而促進(jìn)壓力容器質(zhì)量的提升，這就需要加大對(duì)壓力容器技術(shù)的投資與開發(fā)力度，同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員的相關(guān)專業(yè)培訓(xùn)，提升其專業(yè)素養(yǎng)，并通過對(duì)技術(shù)與材料的雙重運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該技術(shù)的不斷改進(jìn)與優(yōu)化，降低壓力容器的開發(fā)與生產(chǎn)成本，并對(duì)相關(guān)的現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)與升級(jí)，從而有效推動(dòng)壓力容器設(shè)計(jì)的發(fā)展，為我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展奠定有益的基礎(chǔ)。