【分析知识】分析设计流程通用规定

在遇到一个结构或者设备时，我们如何对其进行设计。本文从应力分析设计的范围、设计压力、温度、载荷确定、材料性能参数、力学模型建立、应力强度评定、疲劳强度评定、特殊的制造检验要求、应力分析报告撰写等方面进行了讨论，目的在给应力分析设计流程提供一个通用的规定。

‍1.什么样的结构需要应力分析呢？

当结构或压力容器满足以下条件之一时，可以按JB/T4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》（2005年确认）或GB/T12337-2014《钢制球形储罐》附录D进行分析设计：

a) 承受循环载荷的压力容器及其受压元件，其使用条件不满足JB/T4732中3.10的相关规定时，应按JB/T4732附录C进行疲劳分析和评定；

b) 对于不能按GB/T150确定结构尺寸的压力容器或受压元件，应采用包括有限元法在内的应力分析计算和评定进行设计；

c) 根据压力容器的设计条件、材料性能、制造难易程度以及经济性进行综合评定后，需要采用分析设计方法设计的压力容器，例如：大型高压反应器、高压容器；

d) 对于直径较大，或压力较高的球形储罐，考虑经济性等因素，采用应力分析设计时，应按GB/T12337附录D进行分析设计；

e) 业主提出需要进行应力分析设计的压力容器。

‍2.如何确定设计温度、压力、载荷？

（1）设计压力、温度、载荷分别按照JB/T4732中3.6.3.1、3.6.3.2、3.6.3.3节以及GB/T12337、GB/T151、NB/T47041、NB/T47042等标准确定。如果任何一载荷随时间而变，则应拟定载荷频率曲线以表示每一特定载荷随时间的变化关系。载荷频率曲线应包括所有操作温度、压力、附加载荷以及作用在该元件上所有重要过程的对应循环次数或时间周期。

（2）设计载荷包括：内压、外压、液体静压头、容器自重（包括内装物料重力载荷）、附加载荷（附属设备、管道外载荷、外部配件的重力载荷等）、循环载荷、支撑附件引起的反作用力、温度不均匀引起的温差载荷、风载荷、地震载荷、雪载荷等。

‍3.如何获得材料性能参数？

（1）材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热性、热扩散性、密度以及比热容等，应按GB/T150、GB/T151、ASME第Ⅱ卷D篇以及相关标准选取。

（2）许用应力取值方法:

a)局部结构按“分析设计方法”设计的受压元件材料的许用应力按GB/T150.2规定选用；

b)整体结构按“分析设计方法”设计的受压元件材料的设计应力强度按JB/T4732规定选用；

c) 按“分析设计方法”设计球形储罐的设计应力强度取值按GB/T12337标准中附录D规定选用；

d)当采用国外牌号的材料时，应按照GB/T150.1（局部结构按分析设计方法时）或者JB/T4732（整体结构按分析设计方法时）规定计算许用应力或设计应力强度，且不得高于相应国外压力容器规范所确定的相应材料的许用应力值。

（3）应力—应变曲线可以参照ASME Ⅷ-2中附录3.D进行选取，包括，弹性—理想塑性和考虑应变硬化的真实应力—应变曲线，循环应力—应变曲线，稳定的真实应力—应变幅曲线。

‍4.如何建立力学模型？

根据弹性力学、板壳理论、塑性力学、有限元方法等基础知识、结构特点以及载荷条件等提取出结构的力学模型。对分析问题性质判断可按照下列进行：

a) 在平衡方程、应力应变关系、应变位移关系、边界条件和连接条件中，只要其中任一关系式中变量之间出现非线性项，就归结为非线性问题；

b) 只有当所有变量和关系式都与时间无关时，才能算静力问题；

c) 结构存在较大温度梯度（包括温度的空间梯度和时间梯度）时，应进行热传导分析和热应力分析。当热应力很小或者相比其它应力并不是主要的，这时可以不考虑热应力；

d)当材料出现局部塑形变形时，可仍按照弹性分析进行设计；当材料出现大面积塑性变形时，应按塑性问题或弹塑性问题处理。

‍5. 如何对模型进行简化？

复杂结构按照各个部分几何上以及载荷分布上的特点，将其简化成杆、梁、板、壳、块体等典型构件来处理；分析的三维模型结构与载荷完全对称时，可以将其简化为二维平面结构；结构满足周期性对称条件时，可以建立1/n模型（n为周期数）等，模型简化以尽可能保证所关注位置分析结果的真实性为原则。

‍6.如何选择单元？

对于使用ANSYS Mechanical APDL 进行的有限元数值模拟，应优先选用带中间节点的单元类型。应力分析、疲劳分析等优先选用三维实体Solid186高阶单元（对应的温度单元为Solid90），当计算网格数量较多时，也可选用Solid185低阶单元（对应的温度单元为Solid70）；屈曲分析、极限载荷分析、模态分析等优先选用壳单元Shell181；二维平面结构优先选用平面单元Plane82；梁结构优先选用梁单元Beam189；接触分析时优先选用Conta173接触单元和Targe170目标单元；垫片优先选用Inter195垫片单元；质量单元优先选用Mass21；其余单元的选取可查询ANSYS14.5帮助文件。根据结构特点也可以选用不同单元进行组合。对于其它有限元模拟软件，单元类型参照上述原则选取。

‍7.如何进行网格划分？

（1）三维实体结构优先采用六面体网格；壳结构或二维平面结构优先采用四边形网格。理想单元的边长比为1，可接受单元的边长比的范围线性单元长宽比小于3，二次单元小于10。（2）在对模型进行网格划分时，要确保多体模型相邻体边界共享节点；若相邻体使用的单元类型自由度不同时，可以通过约束方程法、多点约束（MPC）法、刚度叠加法、复合单元法、正交壳体耦合法等来协调彼此的自由度。对于装配体，通常需要定义接触对。

（3）在考虑网格经济性的同时，应保证网格计算结果的可靠性。通常做法是将原网格密度加倍，若两次计算结果相差不到3%，则证明原网格密度可靠；否则应重新修改网格密度并重复上述做法，直到网格密度满足可靠性要求。

‍8.如何施加载荷与边界条件？

    设计载荷及试验载荷各组合条件按JB/T4732标准中表3-3进行，应力分析设计球罐载荷组合工况按GB/T12337标准附录D.4.3节进行。所需分析的载荷工况组合也要视实际的情况而定，若运行过程中出现多种工况，应逐一分析。边界条件的施加应符合结构真实约束条件：

a) 载荷条件：定义模型中节点载荷、单元棱边载荷和面力、体力以及温度载荷作用的位置、方向和大小；

b) 热边界条件：定义模型中节点温度、导热、对流换热和辐射换热的位置、大小或作用规律；

c)位移约束条件：规定模型中节点、节点自由度上的位移受到约束条件的限制以及约束的类型和大小；

d) 其它边界条件：定义模型中的主从自由度、连接自由度或运动自由度等其它用于分析的边界条件。

‍9.如何进行应力强度评定？

a) 在有限元应力分析完成后，自定义的路径应垂直于最高值应力分量的等场强线，自定义路径垂直于横截面的中面，以获得类似的精确度，并对路径上的应力进行线性化，可以得出薄膜应力、弯曲应力、薄膜+弯曲应力、峰值应力以及总应力。

b) 应力分类依据JB/T4732中表4-1和表5-3。设计者判断应力对容器强度失效所起作用的大小、应力作用区域和分布形式、应力产生的原因以及对失效的影响等因素来划分薄膜应力（一次总体薄膜或一次局部薄膜）和弯曲应力（一次弯曲应力或二次应力）的性质。

c) 应力强度极限取值依据JB/T4732中5.2节，5.3节和表5-1，载荷组合系数依据JB/T4732表3-3。

d) 对于锥壳小端的局部薄膜应力，应采用1.1倍设计应力强度作为控制值；对于大开孔，接管根部与壳体纵轴夹角90度的位置，弯曲应力应作为一次应力考虑。

‍10.如何进行疲劳强度评定？

a) 交变应力强度幅Salt的计算分为所考虑点的主应力方向在循环中不变和变化两种情况，按JB/T4732附录C中C.2.1节计算，计算时只需考虑由规定的运行循环所引起的应力，而无需考虑在循环中不变化的任何载荷或温度状态所产生的应力。

b) 设计疲劳曲线的应用，依据JB/T4732附录C中C.2.2。

c) 累积损伤：当存在两个或更多的显著应力循环时，应按JB/T4732附录C中C.2.4节规定的方法计算疲劳累积损伤效应。

d) 螺柱疲劳强度按JB/T4732附录C中C.5。

e) 疲劳强度校核按JB/T4732附录C中C.2.2 c)执行，如果螺柱等可更换件与容器寿命不同时，设计图纸中应单独明确螺柱的使用寿命。

‍11.应力分析设计结构和容器需要提哪些特殊制造检验要求呢？

    容器的制造、检验除应符合JB/T4732、GB/T12337及相关标准规定外，设计文件还应明确提出下列要求，但不仅限于此：

a) 对于进行疲劳分析（有循环载荷）设计的压力容器，其A、B 类焊接接头的焊缝内外表面应与母材表面齐平，不允许保留余高。

b) 对于按疲劳分析（有循环载荷）设计的压力容器，不允许打焊工钢印，制造单位应另行规定焊工标记的确认方法。

c) A、B类焊接接头应采用图样规定的方法进行100％射线或超声检测，在结构设计上应考虑检测的可行性。

d) 直径大于M36的螺柱需进行磁粉或渗透检测。

‍12.如何撰写应力分析报告？

完整的应力分析报告应包括以下内容：

a) 载荷分析：设计参数、设备简图、材料性能数据；

b) 主体部件强度计算；

c) 结构分析和力学模型：结构几何参数、有限元模型、载荷与边界条件；

d) 应力分析结果；

e) 应力强度评定；

f) 疲劳强度评定（针对疲劳压力容器而言）：压力容器（除螺柱外）、螺柱；

g) 结论；

h) 主要技术说明；

i) 附录：路径上应力线性化数据、支撑件计算书或按“规则设计方法”设计的零部件计算书等。