什么是应力线性化（Stress Linearization）?
ASME锅炉与压力容器规范（BPVC）是美国机械工程师学会（ASME）的一个标准，用于监管锅炉和压力容器的设计和制造。这些是为了保证容器的安全而制定的真实世界工作标准，是在发生多起事故和伤亡之后长时间发展起来的。它是全球各个容器设计者和制造商的共享资源。随着时间的推移，容器的复杂性不再仅仅是简单的，而是在尺寸、形状、焊接连接和材料方面观察到了更加复杂的情况。
许多行业已经开发了用于设计验证和优化的有限元分析软件。虽然容器计算是使用有限元分析软件进行的，但分析压力容器中发现的应力仍然是一项困难的任务。需要技能来确定高应力位置并对结果进行合理解释，此外，压力容器的验证是根据ASME指南进行的。有限元分析工具提供了不同类型的应力，这些应力具有不同的安全含义。
图1 应力分类县与应力分类平面
应力分类线（Stress Classification Line，简称SCL）是从容器内部到外部的一条直线。它与容器的内部和外部表面都垂直。在有限元分析中，应力在节点处计算，并且SCL通过这些节点。因此，SCL工具在路径上的每个点都获取应力，并将其分离为不同的应力组成部分，如膜应力、弯曲应力、膜加弯曲应力、峰值应力和总应力。这些膜应力和弯曲应力是在构件的厚度方向上的横截面上产生的。这些横截面被称为应力分类平面（Stress Classification Plane，简称SCPs）。SCP是通过构件的一部分切割的平面。图1展示了在管座壳体连接构件上的SCL和SCP。
应力分类
膜应力：膜应力是指厚度方向上的平均应力。膜应力始终为正值，很难确定它们是正还是负，因为只提供了大小而未提供方向。
弯曲应力：弯曲应力是指在厚度方向上线性变化的应力，即从内表面到外表面的应力差异。
膜+弯曲应力：顾名思义，这些应力是膜应力和弯曲应力的总和。
峰值应力：这些应力是沿着SCL最高的应力。峰值应力也始终为正值，但不一定高于膜+弯曲应力。峰值应力通常用于确定在相应的SCL下构件的疲劳寿命。
ASME中的应力分类与限值
如果按照ASME进行应力评估，ASME VIII-2图5.1提供了应力分类及其相应的允许限制。在这里，应力进一步分为主要总体膜应力、主要局部膜应力、主要弯曲应力、次要膜加弯曲应力和峰值应力等。该图表提供了在不同位置允许的最大应力指导。大多数容器工程师和分析师使用它来预测组件是否合格。
图2 应力分类与限值
尽管图表中明确列出了应力分类，但很难解释应力将落在哪个分类中。我们知道膜应力是平均应力，但如果您参考ASME的5.1表，可能会对使用的术语和允许限制感到困惑，因此需要经验丰富的编码人员进行正确的判断以确定组件是否合格。请参考ASME第VIII-2节图2，了解根据5.1表的应力分类及其限制。
示例
问题定义：考虑喷管和壳体连接的问题。在模拟之前，应明确定义材料和焊接细节。
网格划分：使用二次单元，映射网格来捕捉几何形状。建议在组件厚度方向上至少有2到3个单元来捕捉弯曲行为。有时候在有限元分析之前需要进行网格收敛和网格精度研究以确保FEA结果的准确性。
解决方案：在完成网格模型后，下一步是施加载荷和边界条件。在本例中，负载包括内压力以及喷嘴和壳体开口处的补偿压力，壳体的一端固定在所有自由度上。您可以施加补偿压力或关闭所有开口。补偿压力将作用于推力压力上，以补偿开口处内部压力的影响。此外，圆柱约束比固定支撑更可取，固定支撑更容易产生局部应力集中。
结果验证：一旦解决方案收敛，下一步是提取结果并进行验证。验证可以通过进行简单的合理性检查来完成，例如环向应力验证以及如果施加了力和力矩，则支撑位置的反作用力和力矩应与之相等。
应力提取：有限元分析程序计算每个节点处的应力（正应力Sx, Sy, Sz和剪切应力Txy, Tyz, Txz），并使用冯·米塞斯应力理论进行计算，该理论在可塑性材料中更常用。图2显示了等效应力分布图。最大应力出现在喷管和壳体连接处。为了考虑到最大应力，建议SCL（所需修补焊）应通过这些高应力区域。
图3 几何形状
图4 等效应力
图5：SCL路径
SCL的生成：图5显示了在最大应力位置（即喷管和壳体连接处）采取的SCL位置，即通过壳体的内表面和外表面的一条直线。
7. 线性化应力结果：
a. 线性化等效应力：可以通过结果部分查看相应路径的线性化应力。它显示了线性化等效应力的图表和应力线性化图。
应力评估表：最后，需要准备应力评估表。在这里，你可以包括所有路径的SCL结果。在当前情况下，我们在连接处采用了一个SCL，因此它的应力输出是局部膜应力和局部膜加弯曲应力，可以与SPL允许极限进行比较。如果这些SCL值低于SPL限值，则设计是安全的；如果不是，则建议设计加强措施，如局部补强垫片。SPL，即局部主要膜应力和局部主要膜加弯曲应力的允许极限，参考ASME VIII第2分册标准，取两者中较大的值。
您可能已经对这个问题有了答案，为什么要进行应力线性化？如果没有，请参考以下内容...
在压力容器中，我们不仅关注表面应力，还关注其厚度的各个部分，此外，ASME标准提供了各种应力分量的允许应力，我们在进行应力线性化后可以得到这些应力分量。
