新版4732分析设计标准中“公式法”的来源、主要变化和作用!
JB 4732-1995(2005年确认)分析设计标准自1995年颁布以来,至今已指导行业分析设计近三十年的时间了,振奋人心的消息是新的分析设计标准即将正式发布了,新标准的正式发布可以让国内设计人员接触到最新的、先进的、与国际接轨的设计方法和设计理念,会将国内分析设计的水平提升到一个更高的台阶,并提升行业国内产品与国外产品的竞争力,指导行业分析设计未来一段时间的发展趋势。
新标准中“公式法”的来源和主要变化
老标准JB4732-1995版中第7章~第10章及部分附录的内容分别是:
第7章:承受内压的回转壳;
第8章:承受外压的回转壳;
第9章:平盖;
第10章:开孔和开孔补强;
附录A:基本部件、组合部件的应力分析;
附录D:法兰;
附录H:焊接接头;
附录I:管壳式换热器管板的应力分析;
以上章节和附录内容分别给出了压力容器一些常见典型结构的计算公式、图表或曲线等计算方法,新标准便将这些章节和附录的内容全部整合成一个独立整体部分作为新标准的第3部分内容,并将该部分内容的设计方法命名为“公式法”(征求意见稿中叫典型受压元件及结构,后面应该改名为公式法了)。当然,此部分内容也根据最新设计理念和研究成果作了较大的修改和补充,主要变化有:
(1)与JB4732-1995中基于“应力评定”的设计方法不同,新标准中采用基于“失效模式”的设计方法,对部分公式做了对应于失效模式的重大调整和补充; (3)扩大了适用的载荷种类,包括内压、外压、轴向力、弯矩,增加了除压力之外其它载荷作用下圆筒、球壳和锥壳的应力评定方法; (4)对老标准中3.9条“应力分析的免除”部分作了勘误,提出了新的应力分析原则要求和应力分析免除的规定,包括疲劳分析免除的规定也作了较大修改; (5)对承受内压、外压的回转壳、平盖、法兰、换热器管板部分的计算均作了一定的修改和补充; (6)对老标准第10章“开孔和开孔补强”的内容作了较大调整:取消了与应力分析设计理念不同的“等面积补强法”,将附录J“圆柱壳开孔接管的应力分析”合并到一起独立成章,并作了较大的修改和补充; (7)对老标准附录H“焊接接头部分”作了修改和补充:分类增加了多个焊接接头的示意图,方便设计人员选用; (8)增加了资料性附录,在新标准中为附录C“切线模量取值的其它推荐方法”,对于弹塑性分析需要用到切线模量时可按此附录选取; (9)对老标准中附录A“基本部件、组合部件的应力分析”部分做了修改和补充;
(10)对老标准中部分内容的原文有误或不清晰明确的地方进行了勘误,同时取消了一些不适用或落后的内容。 上文概述了新标准的部分主要变化内容,当然除上述变化之外,新标准还作了其它很多重要的调整、修改和补充。笔者也需等标准正式发布之后与各位同行一起学习、交流、分享。
新标准中“公式法”的主要作用
做应力分析的同行都知道,老标准中相关公式这些年在行业应用中最主要起到的还是一个辅助作用:(1)即利用公式、图表或曲线对主要受压元件的厚度进行初步确认,主要目的是先确保一次总体薄膜应力满足要求,即保证SⅠ的合格,然后根据确定的初始厚度进行有限元的建模,进而对结构进行详细的应力分析和其它失效模式的分析和评定; (2)即使对于非疲劳只需一次加载静力分析的压力容器,也会因不能确定是否满足安定性要求,需要采用有限元法进行应力分析来进一步评定; (3)即使对于单一载荷的压力容器,也因解析法不够完善,未成体系,需要采用有限元法进行应力分析来进一步评定。
因而,老标准的相关公式只能作为一个辅助手段,不能自成体系、独立使用和完成对设备整个分析设计的评价。而新标准中公式法部分的内容进行了更为完善的修订和补充:(1)涵盖了压力容器受压元件的常见典型结构,包括:筒体、封头、法兰、平盖、开孔和开孔补强、管板,载荷除了内压和外压外,也增加了轴向力、弯矩等其它载荷。 (2)行业内专家们通过深入工作、系统分析和梳理,针对性的对典型受压元件考虑了更多可能出现的失效模式,采用了基于失效模式的设计理念,并进一步修订和完善了公式法的内容,增强了新标准中公式法独立使用的实用性。如可对单一载荷的非疲劳设备完成针对其更多失效模式的应力分析的评价,即不仅仅只能用于确定初始厚度。 (3)当然,对于公式法中未考虑或无法考虑的失效模式仍需要进一步采用有限元法进行应力分析对可能出现的其它失效模式进行分析和评定。 总结:新标准中的公式法更具有独立性、完善性、功能性和适用性,在某种程度上可成为分析设计的一个独立体系,而不仅仅是一个只能用于确定初始厚度对应力分类法或弹塑性分析法有限元建模的辅助手段,相较于老标准中公式的应用有了更大的进步和突破。
两个重要标准的动态
(1)GB/T 150之前已发布征求意见稿,正式发布时间笔者未曾了解到,但相信很快也会与大家正式见面了; (2)固容规目前也在修订过程中,据悉也将于2024年即今年正式发布。
新标准的修订历程
最后,附上笔者了解到的新分析设计标准的修订历程,也让更多的同行对一直期待的新标准的修订过程有一个直观的认识和清晰的了解。
从上面的时间轴线可知:该标准于2018年3月份启动修订预备会,修订历程至2024年有6年多的时间,聚集了国内顶尖大学、科研院所、实力强大的一线设计院的各路专家,为该标准的修订保驾护航。标准中的内容引进了:(1)建立了基于失效模式的编制理念(如塑性垮塌、安定性、局部过度应变、屈曲、疲劳和棘轮等),从理论原理上指出本质,从本质上保证安全性。 (2)国内专家们的最新研究成果(我国自主研发的分析设计评定方法,如塑性垮塌二元评定准则等); (3)国际上最先进流行的设计理念(极限载荷分析、弹塑性分析及评定方法,尤其是高温蠕变部分的分析和评定方法,如蠕变断裂、蠕变棘轮、蠕变疲劳,填补了国内此部分设计标准的空白)。当然,新标准也去除了部分已经落后的设计理念,体现了新标准的先进性。同时,也反映出该标准修订和编制的内容之多、难度之大