压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法

宋诚

摘要：压力容器在石油化工行业的应用非常广泛，通过分析压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法的发展，可以实现压力容器应用前景的扩大，并为其良好运行提供参考意见。进一步推动压力容器在石油化工行业的应用，有效提高压力容器的经济效益。

关键词：压力容器;应力分类法;塑性分析法

近年来很多研究学者对压力容器的工作原理、性能等方面进行研究，并取得了显著效果。以往的压力容器在设计过程中，都是采用薄膜应力的方式进行设计，将其他应力影响包括在安全系数之中。但是在实际应用过程中，压力容器及承压部件中，除去介质压力所形成的薄膜应力之外，还会受到热胀冷缩变形而导致的温差应力以及局部应力，因此，在进行压力分析设计时，需要利用应力分类法和塑性分析法，才能够明确不同应力对压力容器安全性的影响，从而有效提高压力容器的科学性和合理性。

1应力分类法

1.1一次应力

一次应力是指压力容器因为受到外载荷的影响，压力容器部件出现剪应力。一次应力超过材料屈服极限时压力容器就会发生变形破坏。主要可以分为以下几种情况：第一，总体薄膜应力。因压力容器受到内压的影响在壳体上出现薄膜应力，总体薄膜应力会在整个壳体上均匀分布，当应力超过材料屈服极限时，壳体壁厚的材料会发生变形。第二，局部薄膜应力。是指压力容器的局部范围内，应受到机械载荷或者压力所导致的薄膜应力，其中主要包括支座应力以及力距所形成的薄膜应力。第三，一次弯曲应力。由于压力容器受到内压作用的影响，在平板盖中央位置会出现弯曲引力，随着载荷的不断增加，应力会进行重新调整。

1.2二次应力

二次应力是指压力容器部件受到约束而出现的剪应力。二次应力满足变形条件。例如，在压力容器的半球形封头以及薄壁圆筒的连接位置，由于受到压力容器内压的作用，两者会出现不同的径向位移，因此两者的连接部位会形成相互约束关系，出现变形协调情况。在这种情况下，连接部位会附加剪力应力，从而形成二次应力。二次应力的出现，也是由于局部范围之内材料出现少量变形，相连部位之间约束缓和，变形协调化，变形不会继续发展，将应力值限制在一定范围之内。二次应力与其他应力叠加之后，如果不超过规定值，就不会导致压力容器出现损坏。

1.3峰值应力

压力容器的小孔边缘、小圆角半径以及接管根部等区域，由于结构出现变化或者是因为载荷变化，而导致局部压力集中，则压力容器就会产生峰值应力，峰值应力就是压力容器最高应力值。峰值应力的出现会导致压力容器出现断裂、疲劳破坏的情况。并不会导致整个压力容器的变形，局部热应力属于峰值应力，因为局部热应力不会导致压力容器整个结构出现明显变形。

2塑性分析法

2.1非线性分析

（1）材料模型。压力容器的选钢一般具有良好的延展性，在一定范围内的压力变化始终服从胡可定律，当超过弹性极限以后压力容器的材料应力变化不再是线性关系。因此在设计时需要使用应力分类法进行分析设计，假设材料始终属于弹性形变，在进行弹塑性分析时需要考虑材料的非線性。

在计算极限载荷过程中，可以忽略弹性应变，仅考虑塑性应变，将材料简化为刚塑性模型。在刚塑性模型基础上，需要准确的考虑压力容器弹性阶段的特性，即理想塑性模型，考虑塑性变形后对材料的强化作用，使其应力应变曲线在塑性阶段近似直线可以表示出塑性强化特性。

（2）屈服准则。对压力容器进行单向拉伸实验中所得出的应力应变曲线，能够有效判断压力容器材料是否达到屈服值，然而，结合一般应力状态需要结合屈服准则，判断压力容器是否发生塑性变形，在分析设计过程中，应当合理利用屈服准则。

（3）流动准则。流动准则主要是对压力容器材料屈服过程中塑性应变方向进行充分描述，在进行压力容器分析设计过程中，对于金属材料可以选择关联流动准则。

2.2几何非线性分析

在进行压力容器分析设计的过程中，压力容器结构的总刚度取决于每个单元方向以及单刚，压力容器结构变形会导致单元形状发生改变，从而影响压力容器的总刚度。小变形对于总高度不会产生过大影响，这主要是由于在最初期几何形状的结构刚度中可以计算出小变形所发生的位移情况。利用有限元分析法计算出通过激活大应变效应以及几何非线性的影响，大应变分析是根据当前结构形状而发生的刚度矩阵更新，因此为了确保压力容器分析设计，需要对几何非线性进行详细分析，并将其分析结果进行合理应用。

2.3塑性失效分析

压力容器在进行分析设计的过程中，塑性失效是最为常见的问题之一，因此需要对其进行控制。塑性失效具有多种模式，塑性失效主要与加载历史有关。一次加载情况下导致的塑性失效模式是属性垮塌，就是产生过量的塑性变形，并使压力容器丧失承载能力。一次加载是指载荷由零开始递增逐渐增加到最大值的加载情况。在进行加载过程中，随着载荷的不断增加，压力容器结构会发生弹性失效，塑性区不断扩张进而发生塑性失效。假如采用理想塑性材料，复兴区真的应力，只能限于压力容器的屈服值。当压力容器结构承载能力的各个界面上所有应力分布达到屈服极限时，结构将变成几何变形从而丧失整个承载能力。因此在进行分析设计过程中，为了确保压力容器的设计效果，就需要对塑性失效问题进行研究，确保压力容器的稳定性和安全性。

3结束语

压力容器的应用非常广泛，为了提高压力容器设计的经济性、合理性、安全性等方面，需要对作用于压力容器的应力进行分类，针对压力容器所承受的不同应力，应力限制范围也会有所不同。因此，在实际应用过程中，需要选择合适的压力容器设计方法，才能够确保压力容器的正常运行，提高压力容器的工作效率能够有效推动我国工业化建设的加快。

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