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关于 对欧盟标准EN 13445基于应力分类法分析设计的理解 一文的几点意见










编者按: 有限元分析现已成为压力容器应力分析的主要手段, 如何对有限元应力计算结果进行应力分类 则是压力容器学术界迫切需要解决的问题。我国许多在应力分析方面颇有建树的专家和学者对该问题持有 不同的观点, 因此也是目前研究和争议的热点。本刊 !""# 年第 $

期上刊登了由华东理 工大学 丁伯 民教授 撰 写的 “对欧盟标准 %& $’(() 基于应力分类法分析设计的理解” 一文, 同时还刊登了浙江大学 郑津洋 教授对 此 文章的若干商榷意见及丁伯民教授据其意见作出的 解释 和回答。文章及意 见刊 出 后, 引起了业内专家的兴 趣。 *+,-./ 英国保险公司朱磊教 授 和 合 肥 通 用 机 械 研 究 院 李 永 泰 教 授 级 高 工 均 据 此 撰 写 了 一 些 意 见 和 看 法, 现一并刊出, 以供读者参考。

关于 “对欧盟标准 %& $’(() 基于应力分类法 分析设计的理解” 一文的几点意见
朱 磊 ( *+,-./ 英国保险公司) ($) 文章中未将应力分析设计和常规设计 分开, 而将应力 分 析 设 计 方 法 做 为 另 一 种 方 法 放 在 附 录 中, 并将疲劳设计纳入正文的讨论很有新意。 虽然 %& $’(() 中没有将一 次加 二 次应 力 和 (!) 峰值应力与缺口应力的关系给出 明 确的 定 义,但 对 文章中 “! 对 %& $’(() 中某些术语或说明的理解” 中 (() 提到总应力 0 缺 口 应 力 0 结 构 应 力 1 峰 值 应 力的解释可以接受。 (’ ) 文章中 ! ($) 在对 %& $’(() 中局部结构不连 续定义 的 解 释 中 提 到 234% 规 范 和 %& $’(() 标 准 对局部结 构 不 连 续 的 定 义 不 同, 该 解 释 值 得 商 榷。 现将有关原文引述如下: 234%: 2 56+,.7 68 59,755 6, 59,:-; -;97;5-8-.:9-6; </-./ :8= 87.95 : ,7>:9-?7>@ 5A:>> ?6>+A7 68 A:97,-:> :;B B675 ;69 /:?7 : 5-C;-8-.:;9 7887.9 6; 9/7 6?7,:>> 59,755 6, 59,:-; D:9= 97,; 6, 6; 9/7 59,+.9+,7 :5 : </6>7 E %& $’(() F E ! E ! : 2 B-5.6;9-;+-9@ </-./ 6;>@ ?7,@ >6.:>>@ :887.95 9/7 59,755 6, 59,:-; B-59,-G+9-6;,:.,655 : 8,:.9-6; 68 9/7 9/-.H= ;755 68 9/7 <:>> E 从上 述 原 文 可 以 看 出, 在 “ 沿 壁 厚 一 部 分 ( :.,655 : 8,:.9-6; 68 9/7 <:>> 9/-.H;755) ” 前面用了一个 逗号, 这可理解为是进一步的解释或者是一个例子, 而不是局部结构不连续的必要条件。在英语中可理 解为 “例如”或 “或” 。如沿壁 厚一部 分是必 要条 件, 这个逗号就应去掉。也就是说 “沿壁厚一部分” 是充 分条件, 但不是必要条件。 另一方 面,如 “沿壁 厚一部 分” 是必要 条件,那 么大板中的小孔就不是局部结 构不连 续,因 为它所 影响的应力是沿整个壁厚均布的。如小孔不是局部 结构不连续, 它 还 能 是 什 么 不 连 续 呢。 小 孔 和 缺 口 一样都是局部结 构 不 连 续, 都可以有沿壁厚均布的 峰值应力。 当然 %& $’(() 第 $I 款和附录 F 中对 总体 结构 不连续的定义中“沿整个壁厚” 前并没 有逗 号, 好像 小孔就变成总体 结 构 不 连 续 了, 但它还有另一个条 件“ 6?7, : ,7C-6; 68 5-C;-8-.:;9 :,7:” 覆盖 很大 范 围, 所 以小 孔 仍 是 局 部 结 构 不 连 续。 综 合 %& $’(() 第 $I 款和附录 F 中对 结 构 不 连 续 的 定 义 和 相 关 注 释, 可 以认为 %& $’(() 对 结 构 不 连 续 的 定 义 与 234% 规 范没有本质的不同。 (() 文章中 ! (() 中 提 到“缺 口 应 力 …,也 称 为 基本应力 ( 7>7A7;9:,@ 59,755) ” 。总应力或缺 口应 力不 。不能说缺口 应 同于 基 本 应 力 ( 7>7A7;9:,@ 59,75575 ) 力 0 基本应力 ( 7>7A7;9:,@ 59,755 ) 。这里的基本应力 (7>7A7;9:,@ 59,75575 复 数) 相 当 于 J 个 应 力 分 量。 在 %&$’(() 应力分析方法中总 应 力 是 由 J 个 应 力 分 量
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关于 “对欧盟标准 ’( )*++, 基于应力分类法分析设计的理解” 一文的几点意见

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导出的 !"#$%& 当量应力, 而 在 ’( )*++, 疲 劳 分 析 中 它可以是主应力或 !"#$%& 当量应力。所以 缺 口 应力 - 总应力,但缺口应力 ! 基本应力。 文章中 . (,) 中提到“当为拉伸应力时, 要计 (, ) 及过量的 塑 性 变 形, 因 此, 规范规定其限制条件为 ( !# ) [!]。 ”其 实 ’( )*++, 对 二 次 薄 !" / $" ") 0 ,
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)*++, 可以用 名 义 应 力 或 结 构 应 力 进 行 疲 劳 分 析, 而 567’ 规 范 必 须 用 到 峰 值 应 力。 正 因 为 在 ’( )*++, 疲劳分析中并 不 一 定 要 用 到 峰 值 应 力 和 总 应 力, 有时只要用到结构应力或名义应力, 自然应力分 类设计方法中就不需要对其给出详细的处理方法和 解释。只有当疲劳分析的高应力点位于非焊接部位 时, 才需要求出总应力或缺口应力。 (4 ) 文章中 “* 0 ) 附录 2 基于应力分类的分析 设计方法” 中最后一段中对文献 [ )+ ] 和 [ ), ] 做了一 些评 论。 根 据 ’( )*++, 的 定 义 和 作 者 对 结 构 应 力 (线性部分) 和总应力 - 结构应力 - 一次加二次应力 / 峰值应力的推论,那么非线性 部分 就应该 是峰值 应力。按此, 参考 文 献 [ )+ ] 和 [ ), ] 中将非线性分量 化 为 峰 值 应 力 在 ’( )*++, 中 是 正 确 的。 当 然 在 567’ 规范中非线 性 应 力 并 不 都 是 峰 值 应 力。 所 以 原文中这一段的评论不确切。 在 ’( )*++, 2 0 . 0 + 注 . 中明确说明二次应力只 包括线性分布的应力 (含均布应力) 。当应力为非线 性分布时二次应力是当量的线性分布应力。这就是 说非线性分量 一 定 是 峰 值 应 力,是 充 分 条 件, 但峰 值应力可以是 均 布 的、 线 性 的 和 非 线 性 的。 所 以 非 线性不是峰值应力的必要条件。 (<) 文章中 “* 0 . 附 录 )4 疲 劳 寿 命 的 详 细 评 定” (.) 中的公式中 !%=>$ 应为 !$?"@% 。 该文章中提出的一个主要观点是 ’( )*++, ();) 第 )4 款详细疲 劳 分 析 方 法 中 用 了 结 构 应 力 和 外 推 法从而解决了 567’ 应力分析设计方 法中 应力分 解 和分类的难题。这种提法值得商榷。首先应力分析 设计和疲劳设计是两种不同的问题。这正如该文所 描述的, 疲劳设计 在 正 文 中 而 应 力 分 析 设 计 在 附 录 中。如容器受交变 载 荷, 设计方法可为常规设计 / 疲劳设计或应力分析设计 / 疲劳设计。这就是说应 力分析不是必须的。如要进行疲劳设计则只要找出 缺口应力甚至结 构 应 力 或 名 义 应 力 就 行, 并不需要 知道应力沿壁厚的分布。所以外推法和用结构应力 主要用于疲劳分析。 疲劳分析要用总 应 力 或 缺 口 应 力, ’( )*++, 中 结构应力或名义应力只在某些条件下才能应用。不 能说结构应力的应用可以适用于所有情况。 但 应 力 分 析 设 计 就 不 同 了, 我们必须知道应力 沿壁厚的分布, 不然就无法将应力进行分解和分类。 这时最大 应 力 或 总 应 力 或 缺 口 应 力 就 变 得 不 重 要 了。例如, 我们用应变片测量获得 (下转第 *+ 页)

膜热应力的限制 条 件 ( ! / $) " ") 0 , & 可 能 对 拉 伸 和压缩两种情况 都 适 用 以 防 止 大 范 围 塑 性 变 形, 并 不仅针对拉伸, 因为屈服应力可能比失稳应力要低, 对短粗受压元件就是如此。 (1 ) 文章中 “* 对 ’( )*++, 以 应力 分 类 为 基 础 分析设计方法的理解” 第 + 自然段 和 “* 0 ) 附 录 2 基 于应力分类的分析 设 计 方 法” 中第 * 自然段中的观 点值得商榷。线性或二次外推法求结构应力的主要 目的是用于 疲 劳 分 析,并 且 主 要 是 沿 表 面 的 外 推, 因为在疲劳分析中沿壁厚的应力分布无关紧要。 如沿壁厚的应 力 分 布 不 知 道 (如 采 用 应 变 片 进 行应力分析) ,而 只 知 道 容 器 表 面 的 结 构 应 力 和 名 义应力, 似乎无 法 按 ’( )*++, 附 录 2 设 计, 因为从 表面的结构应力和名义应力无法得出哪些是一次应 力。如用有限元方法已获得了沿壁厚和表面的应力 分布, 再做外推 也 无 必 要。 外 推 的 目 的 是 求 结 构 应 力而不是用于应力分解和分类。另外外推法求出的 结构应力对应力分类的帮助也不大。它也无法将均 布和线性应力分类。所以看 不 出 ’( )*++, 第 )3 或 )4 款中结构 应 力 的 定 义 对 附 录 2 的 应 力 分 析 设 计 有多大帮助。应力分析法中的难点不是线性化处理 或分解, 而是分解出的应力的分类。 (3 ) 文章 “+ 一些看法” 中最后 一 段, 作 者 对 ’( )*++, 规范中没有给 出 峰 值 应 力 的 详 细 处 理 方 法 有 点不 可 理 解。 在 此 做 一 点 说 明。 在 疲 劳 设 计 方 面 这就是为 什 么 ’( ’( )*++, 完全不同于 567’ 规范, )*++, 的典 型 例 子 应 力 分 类 表 中 没 有 列 出 峰 值 应 力, 在应力分布线 性 化 处 理 中 也 不 指 明 那 一 部 分 是 峰值应力。 567’ 规范 的 疲 劳 设 计 ’ 8 ( 曲 线 是 由 母材标准试样的 疲 劳 试 验 结 果 导 出 的, 所以疲劳分 析就需要详细的 应 力 分 析, 需要用到应力分析设计 中获得的峰值应 力 和 总 应 力, 所以峰值应力可以在 应力分类设计的相关表中列出。而基于 9: ,,;; 的 ’( )*++, 疲劳设计 ’ 8 ( 曲线是由焊接件的疲劳试 验结果导出的, 所以 ’( )*++, 更适用焊接部件。 ’( )*++, 焊接件的 ’ 8 ( 曲 线 中 已 包 括 了 某 些 局 部 结 构不 连 续 的 影 响,如 焊 趾。 这 也 就 是 为 什 么 ’(
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分析设计的直接方法

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载荷工况规定的 循 环 次 数 后, 主结构应变的最大绝 则设计校核 通 过; 若在所考虑的作 对值小于 ! " , #) 用循环下, 等效的 无 应 力 集 中 模 型 能 够 安 定 到 线 弹 性状态, 则设计校核通过。 ($)失稳设计校核 把每种载荷工况施加到与本设计校核相应的设 计模型 (该模型带有呈临界屈曲形状的预变形, 其偏 差量取 %& ’$((! ) ( : #**# 的 允 许 值 或 由 设 计 图 标 明的值) 上, 按主结构应 变 最 大 值 为 ! " 的 限 制 求 得 屈曲强度, 除以相应分安全系数 (对正常运行载荷工 况若按欧盟标准 要 求 做 过 外 压 试 验 取 ’ + #! , 否则取 对试验 载 荷 工 况 取 ’ + ’ ) 得到屈曲强度的设计 ’ + !; 值。若该载荷工况的设计值不大于相应屈曲强度的 设计值, 则设计校核通过。 应用时有两 种 校 核 方 法: 基于相应载荷工况 ’) 下考虑形状偏差 影 响 的 相 关 试 验 结 果, 若该载荷工 况的设计值不大于基于试验观测得到的失效值之期 望范围的下限, 则 设 计 校 核 通 过。 # ) 对压力作用情 况, 若能满足 %& ’$((! ) $ : “外压下的壳 #**# 第 , 款 体” 中的要求, 则设计校核通过。 (()疲劳设计校核 把压力 - 温度作 用 和 其 他 可 变 作 用 的 设 计 函 数 施加到与本设计 校 核 相 应 的 设 计 模 型 上, 计算损伤 指数 ! " 的 设 计 值, 若 不 超 过 ’, 则 设 计 校 核 通 过。 在应 用 时, 只 要 能 满 足 %& ’$((! ) $ : #**# 第 ’, 款 “疲劳寿命的详细评定” 的要求, 则设计校核通过。 (上接第 (( 页) 了某一容器总体结 构 不 连 续 处 外 壁 的 应 力 分 布 (含 热应力) 。可以求得该处的结构应力, 乘以应力集中 系数就可获得缺口应力或总应力。对疲劳分析上述 数据已 足 够。 但 上 述 数 据 不 足 以 进 行 应 力 分 析 设 计。 总体说来 %& ’$((! 附录 G 和 H8I% 第 , 篇第 # 分篇的应力分类设计方法没有本质的区别, 只 是 %& ’$((! 给出了详细的 应 力 线 性 化 处 理 计 算 公 式 和 规 定二次应力只包括线性部分。 该文 想 要 说 明 的 是, 由于用了外推法和结构应 力从而避免了讨 论 峰 值 应 力 的 分 布, 并提到小孔的 例子。现以该例子为例,如果沿孔 边 测量 应 力 并做 外推, 就可以得 到 孔 边 的 近 似 最 大 应 力。 把 这 个 应 力称为总应力或结构应力都不会影响疲劳分析。但 该处的应力是总 应 力 而 不 是 结 构 应 力, 因为结构应
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(!)静力平衡设计校核 对压力容器及其部件的静力平衡条件进行检 验, 若导致不稳定 的 各 种 作 用 的 设 计 效 果 小 于 导 致 稳定的各种作用的设计效果, 则设计校核通过。 应用时, 对不利 (导 致 不 稳 定 的) 作用应取其上 设计值; 对有利 (导致稳定的) 作用, 仅考虑那些在所 考虑情况下确实 可 能 出 现 的 有 利 作 用, 并应取其下 设计值; 对可变作 用, 仅 考 虑 不 利 作 用, 而忽略有利 作用。当几何尺寸的不确定性严重影响静力平衡检 验时, 应取该尺寸最不利的值。 ! 结语 本文简要介绍了 %& ) . 的基 本思想 和 新 概 念, 省略了欧盟标准 中 给 出 的 更 为 详 细 的 说 明 和 规 定。 本文按笔者的 理 解 对 %& ) . 的 叙 述 顺 序 作 了 一 定 的调整和归纳, 希望能有助于读者的理解。
参考文献: [’] /01 %2345167 8967:63: %& ’$((! ) $ : #**# ,;7<=31: >31?@ [ E] ?231 A1??1B?,>639 $ :C1?=D7 + 收稿日期: #**F ) ’# ) ’, 作者简介: 陆明万, 清 华 大 学 教 授, 博 士 生 导 师, 从事计算力 学 (有限元、 无网格 法 等) 、 弹 塑 性 力 学、 板 壳 理 论、 压力容器 分析设计、 反应堆结 构 力 学 等 方 面 的 研 究 工 作, 现任压力容 器分会设计委员会副主任委员、 固定式压力容器分技 术 委 员 会顾问、 压力容器杂志编委。

力定义中明确说明它只能包括总体结构不连续处的 所有线性应力, 但不包括局部结构不连续处的非线 性应 力。 由 于 %& ’$((! 规 定 二 次 应 力 只 包 括 线 性 部分, 好像小孔引 起 的 沿 壁 厚 均 布 的 应 力 也 可 以 划 入结构应力, 那就会 发 现 一 次 J 二 次 应 力 K 结 构 应 力就无法满足设计条件。该文也多次强调孔边的沿 壁厚均布的应力 是 峰 值 应 力, 因此外推所得出的就 是总应力而不是结构应力。可见不能把规范的简单 定义无限推广采用, 而需要具体情况具体分析。
收稿日期: #**L ) *# ) ’’ 作者简介: 朱磊 (’M!L ) ) , 高级 工 程 师, 浙江大学化工机械本 科, 硕士毕业, 英国标 ’MM, 年 英 国 893690NBO:1 大 学 博 士 毕 业, 准委员会 ( .8P) 受 压 设 备 委 员 会 成 员, 现从事受压设备的监 造、 取证和质保 体 系 认 证 工 作, %Q6=B: ROS T ROS’##’ U <311?13V1 U N4 U 2W。


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