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压力容器的常规设计和分析设计,你更看好哪一个?

压力容器的常规设计,采用第一强度理论,是以弹性设计准则为基础的一种粗略的计算方法,从本质上讲属于半经验半理论的计算方法,在考虑许用应力时选取相对较高的安全系数,将局部应力控制在一个安全的水平上,采用简化的计算公式配合图表就可以进行常规设计。常规设计入门容易,采用sw6等软件按照相关条件参数以及标准进行输入即可进行压力容器的强度计算,这是每一个压力容器设计工程师都具备的技能。


由于常规设计的局限性,常规设计并没办法满足所有的工况或者结构,例如,集装箱的框架、低温气瓶的大开孔等。由于以上原因,以弹塑性、塑形失效准则为设计基础,采用第三强度、第四强度理论的分析设计,不仅能解决常规设计所不能解决的问题,也是容器设计观念与方法上的一个飞跃。



图1罐式集装箱框架分析


图2低温气瓶大开孔分析


分析设计软件种类多,理论基础要求高,所以sw6中植入了简单的分析内容,供简单的工程案例使用,例如WRC107公报等。复杂的工况则采用专业的分析设计软件,例如Ansys,Nastran,Midas等。Nastran用在飞机设计,Midas用在建筑设计,而被我国公认的作为压力容器分析设计的软件则是Ansys。分析设计由于其理论基础要求高,需要掌握微积分,矩阵,力学基础,而且软件操作复杂,所以能够熟练掌握计算软件并进行合理评定是非常困难的。


图3 sw6局部应力分析


当然分析设计并不是十分精确的,计算与实际工况会有偏差,主要由于以下几方面:

a)建模需要进行相应的简化,减小计算量;

b)网格划分的越细致计算越精确,所采用的差值函数越接近实际数值,但也相应的增大计算量;

c)边界条件的设置分为载荷和约束两部分,这两方面内容是计算结果正确与否的重要内容;

d)评定,区分一次和二次应力是一个分析设计工程师的重点内容,如果错把一次应力考虑为二次应力,会出现失效的危险,而把二次应力考虑为一次应力,则过于保守,增加制造成本。


常规设计和分析设计各有利弊,常规设计虽然简单易学,设计相对保守,但是也满足不了所有工况;分析设计虽然可以适合各种复杂设计条件,但是计算工作量大,耗时时间长。


是坚守常规设计誓死不放弃,还是下定决心啃书本研究分析设计,各位元芳,你们怎么看?


作者简介:孙捷飞,A1、A2、C2、C3级压力容器审核员,从事低温深冷压力容器以及移动式压力容器设计审核工作。本文原创、禁止转载!

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  • 游客 一个好字,一语双关,既表达了回复的内容,又表达的回复的意义,实乃绝句!
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  • 铁岭孙工 回复游客:谢谢 谢谢关照
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  • 我也说一句
写得不错,努力学习
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常规设计很多是讲模型简化,近似,以方便计算,为保证安全,取值一般也比较保守,适用于静态场合,许用应力变化不多,以弹性失效为主,附带经验系数。


有时候两种方法可任选,但对大型设备分析设计可能作用比较大,可以明显减少壁厚和重量,降低成本;

有时候像疲劳动载设计等按规定,出于安全考虑,只能采用分析设计,这时候计算厚度可能比常规更大。


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  • 铁岭孙工 我感觉最好是两种方法都掌握一下,至少掌握最基本的分析设计方法的评定。不能只看报告中的结果,合格或者不合格。个人观点哈。
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  • 我也说一句

常规设计将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理,不涉及疲劳,且不考虑热应力。而容器在运行过程中,不但存在机械载荷,还有热应力,而且会存在不同的运行工况。这样,不能单纯通过提高材料设计系数或加大厚度来解决,有时厚度增加可能还会起反作用。分析设计中,能够将热分析考虑在内,且对于多工况运行,可采用疲劳分析方法预测其寿命。


常规设计基本上是控制结构的平均应力,将其限制在一定范围内,这样做没有把局部高应力区考虑在内,而这些高应力区往往是破坏源。要确定和评估这些高应力区,就需要进行分析设计。


另外,常规设计适用于特定的结构形式,不适用于其他结构形式或者受其他载荷的情形。而在分析设计中,只要合理设置边界条件,且模型处理得当,是能够得到结构各个部位的应力分布情况。



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我决定啃本书 好好研究下分析设计!

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1、设计准则不同

常规设计的设计准则是基于第一强度理论,以弹性失效准则为基础,认为当最大拉应力超过许用应力时,部件即为失效。

分析设计的设计准则是基于第三强度理论,以弹塑性失效准则为基础,认为当最大剪切应力超过许用应力时,部件即为失效。


2、评定方式不同

常规设计认为只要结构出现屈服,即为失效。

分析设计允许结构出现可控区域的塑性变形,对与应力根据应力产生原因,存在区域大小,导致的失效方式等因素对其进行分类,并对不用的应力强度施以不同的限定准则。


3、针对的失效模式不同

常规设计以一次静载荷的施加为计算方式,未考虑设计针对的不同失效模式。

分析设计考虑了包括弹性失效、塑性变形、脆性断裂、蠕变变形、渐增性垮塌、低循环疲劳在内的失效模式。


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  • 铁岭孙工 相当的专业,分析设计采用最大剪切应力的原理不错,但是JB/T4732中应力分类法评定中给出的是应力强度(为剪切应力的2倍)小于许用应力强度,这里需要注意一下。
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  • 我也说一句
寻找板式换热器的朋友们请加我的微信j18851544002 专业生产各种板式换热器,板片垫片
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相对于常规设计,分析设计确实要精细的多,能更充分的挖掘材料的潜力加以利用,在某些设备能从材料上降低不少的成本,但是由于设计过程对人要水平要求高,计算量大,设计成本相应增加不少,并且在制造方便也比常规设计要求高出不少;

常规设计相对来说要简单很多,也更容易掌握,加上现在计算过程基本都由软件来完成,设计成本要比分析设计低不少,且对于常规设备来说制造检验要求也不必很高,这也是现在大多数的用户更愿意用常规设计的原因。

两者各有利弊,所以对于常规设备,特别是尺寸较小的常规设备,几乎没人用分析法设计,那样节省下的一点材料费还没有设计费高,总体成本未必能降低;一些结构特殊超出了常规设计范围的(还有一些常规结构但是有循环载荷的),一般都会不得不采用分析设计,一些比较大型的设备,选用分析设计能节约大量成本。

所以对于用户来说,选用那种设计方法,要根据情况,不得不用的,没商量;两者皆可的,可以综合衡量成本和能力,选择成本更低的方法,以在保证安全的前提下尽量降低成本,节能减耗。

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前者是基于弹性应力基础。计算模型较为简单,材料的计算裕度相对较大,后者甚至考虑了塑性应力,力求将塑性应力控制在可以接受的范围内,对材质的性能控制要求非常高。如果还需要更详细,推荐看JB4732《分析设计》。

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常规设计的不足之处从实践中发现,压力容器出现的一些事故用常规设计的观点解释不了,常规设计的确存在一些不能满足设计要求之处,据统计,约有过半数的容器失效是属于疲劳破坏,但基于一次静力加载的常规设计和容器水压试验都不能对疲劳失效做出合理的评定和预测,但这些均不能按传统增加壁厚的办法加以解决,因此,除在结构型式与材料方面采取相应的措施外,还必须从设计观点和设计方法上加以改进。

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