NX MasterFEM对压力容器应力分类的结果处理

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了压力容器中应力的分类和特点，包括一次应力、二次应力和峰值应力。根据ASME VIII-2规范，压力容器壁面厚度方向的应力可分为薄膜应力和弯曲应力，需区分局部应力和总体应力。NX MasterFEM作为通用前后处理软件，能够对压力容器分析设计的应力进行分类处理，提供方便的工具判断各种应力类型，进而为压力容器的设计提供重要依据。

根据美国机械工程师学会（The American Society of Mechanical Engineers即ASME）锅炉及压力容器委员会颁发的《锅炉及压力容器规范》（Boiler & Pressure Vessel Code简称B&PV Code）的第VIII卷《压力容器》，其中VIII-1《压力容器》，即通常所称“按规则设计”，VIII-2《压力容器——另一规则》，即通常称之为“按分析设计”。

ASME VIII-1在要求用户所提供的设计要求中，规定应包括在正常操作、开车、停车时必须考虑的各种诸如温度、压力、其他各种载荷等因素。ASME VIII-2要求详细计算应力并在必要时进行疲劳分析，所以在要求用户所提供的设计条件中，除和ASME VIII-1相类似，应包括在正常操作、开车、停车时必须考虑的各种诸如温度、压力、其他各种载荷等因素；此外考虑到计算局部应力，还要求包括容器的支承方式，当属于循环操作时，应包括能进行是否需要疲劳分析判断的详细资料。

一、应力分类

应力分析设计的主要特点是根据各种所考虑的失效模式，详细计算受压元件的各种应力，并根据各种应力对失效所起不同作用而予以分类，对不同类别的应力针对相应的失效模式而采用不同的应力强度条件予以限制。

由建立分析设计规范的背景可知，分析设计规范所采用的应力分类是和目前所了解并掌握的容器失效模式以及目前所通用的受压元件应力计算方法相匹配的，是针对压力容器分析分析设计的应力分类，并不是纯粹从力学理论出发所进行的分类。

从人们对压力容器失效模式的逐步认识，各种应力对失效所起的作用不同，由目前通用的受压元件应力计算方法所求得的应力，根据下述四项基本出发点予以分类：

1、产生应力的原因，例如，应力是由各种机械载荷引起的，还是由温差载荷引起的。

2、导出应力的方法，用于压力容器设计的力学基础是板壳理论，而壳体理论则又分为不计及边缘问题的无力矩理论以及计及边缘问题的有力矩理论，后者主要用于边缘应力的求解。

3、应力存在的区域，例如，应力存在于容器（或受压元件）的总体区域，还是存在于局部区域。介质压力对圆筒或封头直接引起的应力遍布于圆筒或封头的总体区域；由于开孔接管而对壳体或接管所引起的局部高应力，则仅存在于开孔接管的局部区域。显然，遍布于容器整体的应力如果达到材料的屈服强度，继续增加则将导致容器整个范围的大变形而使容器失效；存在于容器局部区域的应力即使达到材料屈服强度，继续增加载荷也只能使周围弹性区域的应力增加而使应力分布趋于均匀化，不会立即导致容器整体范围的大变形。所以，存在于总体区域的应力对压力容器失效的危险程度将大于存在于局部区域的应力。

4、应力的性质，例如沿容器壁厚方向是均匀或非均匀分布的拉、压应力，还是沿壁厚方向成线性分布、或非线性分布、两表面应力最大、方向相反、中间面或靠近中间面处为中性面的弯曲应力。显然，沿容器壁厚方向均匀分布的薄膜应力一旦达到材料的屈服极限，则意指整个壁厚范围的材料均已屈服而不能再增加载荷；沿容器壁厚按线性或非线性分布的弯曲应力即使达到材料的屈服强度，也仅指在器壁表面达到屈服才会导致容器失效。所以薄膜应力对容器失效构成的危险比弯曲应力大

根据以上的分析，需要分清是局部应力还是总体应力，是薄膜应力还是弯曲应力。ASME VIII-2根据目前可能遇到的应力情况，基于上述四项基本出发点，并从工程应用的清晰和方便出发，把压力容器各处的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力等三大类。

1、一次应力

是指由于外加机械载荷的作用而在容器中产生的正应力或剪应力，它必须满足外载和内力的静力平衡关系。所以一次应力的特征不具有自限性，应力或应变总是随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服强度而自行限制，而是使容器产生过度的变形或破坏。一次应力是一个统称，具体包含以下三类。

a)  一次总体薄膜应力（Pm）

是指存在于容器总体范围内，由内压或其他机械载荷所引起的薄膜应力，它产生在总体结构或局部结构都没有不连续的部位。

b) 一次局部薄膜应力（PL）

在容器的局部范围内，由于介质压力或其他机械载荷而引起的薄膜应力，统称一次局部薄膜应力。例如，容器支座或接管处，由于自重或外载荷在壳体上所产生的薄膜应力即是；在封头和壳体连接处，边缘应力中的薄膜应力部分也是。

c) 一次弯曲应力

指由介质压力或其他机械载荷作用下沿容器壁厚成线性分布，内外壁表面大小相等、方向相反、中间面即为中性面的应力，它满足外载和内力的平衡关系。一次弯曲应力并不是由结构的不连续引起的，如果因元件存在不连续而在元件连接边缘处所引起边缘应力中的弯曲应力则不属于一次弯曲应力。

2、二次应力（Q）

二次应力是指由容器同一元件上不同部位间的自身约束或相邻元件间的相互约束所引起的正应力或剪应力，系根据同一元件上不同部位材料或相邻元件间的总变形协调条件导得，其基本特征是具有自限性，局部区域因屈服而产生的小变形量可以使得产生这种应力的变形协调条件得到满足，从而缓解了产生这种应力的条件，限制了二次应力的进一步增长。

3、峰值应力（F）

是指由于局部结构不连续而加到一次应力和二次应力之上的增量，其基本特性是对结构不引起任何显著的变形，它仅是导致疲劳破坏和脆性断裂的可能原因。对峰值应力的划分并不是以它沿器壁厚度是均匀分布、线性分布还是非线性分布来定义，也并不是以是否具有自限性来定义，ASME VIII-2指出，对于并不高度集中的应力，如果它对结构不引起显著变形，则也划归为峰值应力。局部温差应力也属于峰值应力。

NX MasterFEM对ASME规范的各种应力的处理

NX Nastran作为著名的结构分析软件，为工业界公认的分析标准，广泛应用于各个工业领域，包括压力容器行业，得到美国机械工程师学会（ASME）的认可。

NX Nastran是基于有限元技术的求解器，可以得到模型各个点的变形、应变和应力的分析结果，针对压力容器分析设计的应力分类必须通过相应的后处理软件来进行分类处理，MasterFEM是广泛支持各种求解器（包括Nastran）的通用前后处理，通过MasterFEM我们可以得到用于压力容器分析的各种应力。

从ASME VIII-2对应力的分类可以知道，对于压力容器壁面厚度方向的应力不外乎薄膜应力、弯曲应力或两者组合，由于压力容器设计的力学基础是板壳理论，壳体单元的分析是基于壳体理论，采用面单元（SHELL）来处理，在MasterFEM中提供了两个后处理工具，即标准的后处理任务（post processing task）和Visualizer，它们都提供了壳单元结果后处理工具（见下图）。

其中：

1、top – 顶面上薄膜应力+/-弯曲应力

2、bottom –底面上薄膜应力+/-弯曲应力

3、middle - 中面上仅薄膜应力

4、bending values – 仅弯曲应力

5、 layers – 用于复合材料 

标准后处理

NX MasterFEM还提供了其他方便的工具，如查询，可以直接在图形区通过鼠标点取某个节点或单元并显示相应的结果，如：顶面上薄膜应力+/-弯曲应力、底面上薄膜应力+/-弯曲应力、中面上薄膜应力、仅弯曲应力，也可以直接进行3D标注或结果列表等。

然后根据这些结果，加上所关心的区域可以判断是一次总体薄膜应力、还是一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、或二次应力等。