新方法抢先学|非弹性分析—载荷与阻力系数设计方法

随着锅容标委于2018年5月在南京组织了压力容器分析设计系列标准修订启动工作会议的召开，修订立项的计划内容有了很大变化，在第5部分引入了弹—塑性分析方法，相对于原先标准中单一的应力分类法，修订后的标准内容更加丰富了。作为压力容器的分析设计工程师，我们应该不断学习新的设计方法，跟随标准的引领，夯实自己的专业知识，成为一个合格的分析设计工程师。

【1.背景】

在ASME分析设计标准中，主要是通过以下4种失效模式进行展开：1）防止塑性垮塌；2）防止局部失效；3）防止失稳；4）防止循环载荷失效。而在防止结构塑性垮塌中就有：弹性应力分析（应力分类法）；非弹性应力分析（极限载荷分析和弹—塑性分析）。在2007版ASME VIII-2规范中已经引入了载荷与阻力系数设计（Load and Resistance Factor Design, LRFD)，并将其应用到了极限载荷与弹—塑性分析中，极限载荷分析不再采用两倍弹性斜率作为评判准则。

【2.压力容器设计方法】

在2007版ASME VIII-2标准未公布之前，压力容器设计一直沿用许用应力设计。其主要的设计理念是给材料取一个总安全系数，以此来为设计中的不确定性因素提供必要的安全裕度。

载荷与阻力系数设计（LRFD)已经应用到了极限载荷与弹—塑性分析中，该法在钢结构和公路桥梁等领域已广泛应用多年。LRFD法是对塑性垮塌载荷严密计算的另一选择。该法的主要设计理念是，不同的载荷和阻力（强度）采用不同的安全系数。LRFD法是一种适用于多个领域的通用方法，各个领域中载荷和阻力的具体所指均是不相同的，LRFD法用于压力容器设计领域时载荷和阻力的含义亦是如此。

载荷：包括永久载荷、内压、地震载荷及风载荷，其中永久载荷包括容器自重、保温重量和介质重量等，所有的载荷都将被当作随机标量来考虑。阻力（强度）：包括屈服极限和强度极限，都可以看作随机变量。

【3.结构的可靠度理论】

载荷是引起结构失效的外在原因，阻力是抵抗结构失效的内在能力。因此，载荷和阻力之间的关系是决定结构是否失效的重要因素之一。载荷和阻力的随机性决定了结构失效的随机性。LRFD法是建立在结构可靠度理论上的，其原理包含如下4点：

1）  结构的阻力将作为随机变量或随机过程来处理；

2）  将作用在结构上的各种载荷作为随机变量或随机过程来处理，并考虑其同时出现的概率；

3）  基于应力—强度干涉理论对结构的失效概率进行评定；

4）  基于结构可靠度理论。

【4.ASME标准中载荷组合与载荷系数】

在2007版ASME VIII-2规范中按一定的可靠性指标，给出了压力容器相适应的载荷系数，见表5.4和5.5，分别用于极限载荷分析和弹—塑性分析。材料强度对应的阻力系数已经被组合进载荷系数中了，即阻力系数等于1.0。

根据表5.4极限载荷分析的载荷组合和载荷系数，分为载荷工况组合1：总体准则、载荷工况组合2：局部准则、载荷工况组合3：液压或气压测试条件。在分析时，需要考虑每种组合工况的载荷组合与系数，只有每种工况求解收敛了才认为该结构极限载荷分析合格。

据ASME Ⅷ-2 表5.5 用于弹—塑性应力分析的载荷工况组合和载荷系数，需要考虑的载荷组合：总体准则、局部准则、液压或气压测试条件。只要所有单元的成形应变与总的当量塑性应变之和小于或等于三轴应变极限，则结构处于安全。

【5.传统方法与LRFD法对比】

传统的许用应力法采用一个总的安全系数来考虑设计中的不确定因素，显得过于粗糙，不能单独考虑各个因素对压力容器破坏所起的作用，会导致安全裕量较大，材料的浪费；LRFD法对各个具有随机性的设计变量赋予了不同的安全系数，考虑了压力容器设计安全可靠和经济性两个根本问题，该法基于可靠度理论的设计理念，可以获得更合理的安全裕度，在保证了安全性的同时，实现了结构的轻量化。

基于可靠度理论的压力容器设计是一个较新的领域，虽然外国标准已经纳入了这块内容，但国内标准还未引入，只是停留在专家学者的研究基础上。随着分析设计标准的修订，相信在压力容器设计领域引入LRFD法无疑是压力容器设计的重大进展。有可能在未来，我们会摒弃应力分类法，而非弹性分析成为分析设计的主流。

笔者已获悉，近两年内可能不会再有SAD考试，一是容标委正忙于新标准的修订工作，二是以后SAD考核需以新标准考核，因新标准引入了ASME新的弹-塑性分析方法，对以前已取得SAD证的人员很有可能进行再培训和考核。这两年内对分析设计人员来说既是挑战也是机遇，能否抓住这次机遇实现弯道超车，成为第一批上车的人，完全取决于您！