本書包括壓力容器ANSYS分析與強度計算兩部分內容。

  本書的特點是，采用美（ASME-Ⅷ-1、ASME-Ⅷ-2）俄（ГОСТ14249、ГОСТ 24755、ГОСТ 25859等），或中（GB150，JB4732）俄壓力容器標準規范的優勢互補，采用壓力容器ANSYS分析，采用某些規范比ANSYS分析過程還要簡便的手算方式，來進行壓力容器的設計計算。

  在ANSYS分析方面，本書完整地給出有代表性的熱壁加氫反應器的壓力應力分析、熱分析、熱應力分析和耦合分析，高壓空氣儲罐的疲勞分析，包括設計條件，建立幾何模型，有限元模型，施加邊界約束、載荷及求解，查看分析結果（變形和節點應力強度），設置路徑，線性化處理，最后給出分析設計人員最關注的問題：按ASME-Ⅷ-2的應力分類識別和提取ANSYS分析結果進行應力疊加法和耦合法的應力強度評定。書中還給出ANSYS分析的點滴技巧和經驗，及高壓空氣儲罐自由網格與映射網格求解結果的比較。作者用ANSYS分析數據說明增大加氫反應器的熱箱高度能降低熱箱右圓角區的總熱應力強度，這是最經濟的有效方法。本書介紹了美國休斯頓應力工程顧問公司關于螺栓孔或內螺紋孔的存在導致法蘭剛度降低，并給出法蘭剛度減弱系數的確定方法。

  高壓空氣儲罐接管的疲勞分析中，半球形封頭上的接管，采用ASME-Ⅷ-2的應力指數法；圓筒上的接管，因超過應力指數法的尺寸限制，改用ГОСТ 25859鋼制容器及設備低循環疲勞強度計算的規范和方法，它沒有尺寸結構限制。這兩種規范的手算方式均比接管與殼體相貫處ANSYS三維分析過程簡便。ANSYS分析的內容詳見本書第6、7、8章。

在強度計算方面，將介紹比ASME-Ⅷ-1、GB150有某些優勢的俄羅斯壓力容器最重要的基礎標準和指導性文件，其規范有如下特點。

  1．在中、美、俄三國壓力容器標準規范中，唯有ГОСТ14249容器及設備強度計算的規范和方法（見第1章）所確定的屈服極限的安全系數和強度極限的安全系數最低，暫從ГОСТ14249-80算起，屈服極限的安全系數nт =1.5，強度極限的安全系數nB =2.4，執行至今已有20多年。2000年，ASME-Ⅷ-1將強度極限的安全系數由4.0降到3.5[11]，這是過去50年中強度極限的安全系數第一次降低。ASME-Ⅷ-2-2007，將強度極限的安全系數由3.0降低到2.4，這時該標準的強度極限安全系數才與ГОСТ14249相同。與我國規范確定的安全系數比較見下表，其nB比我國的分析設計標準還要低。安全系數體現了技術進步，它綜合了安全性與經濟性的考慮。因此，在國際壓力容器競爭中它是有競爭力的指標之一。

安全系數 ГОСТ 14249 GB150 JB4732

nт 1.5 1.6/1.5（高合金鋼） 1.5

nB 2.4 3.0 2.6

  2．容器及設備元件強度計算的公式均基于極限載荷法，也就是說，除法蘭連接的強度計算之外，所有受壓元件強度計算公式都是采用極限載荷法推導出來的（見第1章第2節圓筒、封頭和平蓋計算公式的推導），由塑性極限分析得到的結果與GB150采用彈性失效準則，第一強度理論，薄壁中徑公式推導結果，如圓筒、封頭的計算公式，完全相同。這是一種可靠的簡便方法。將極限載荷控制在允許的范圍內，則壓力容器結構和元件能安全可靠地使用，所定的安全系數將更能反映結構和元件具有的實際安全程度，也更能充分利用材料的塑性性能潛力。

這部分內容國內少見，對理論研究和標準研究均有重要的參考價值。

  3．穩定計算的現代方法是，將彈性范圍內的臨界應力與超過彈性極限的臨界應力綜合在一個解析式中（見第1章第3節公式的由來），GB150與ASME-Ⅷ-1一樣，沒有解決這一問題，而是采用兩次查圖分別取值（A、B），最后計算許用外壓力的方法。因此，可用ГОСТ14249圓筒的許用外壓力1個公式解決GB150要4個公式才能解決的彈性失穩長圓筒、彈性失穩短圓筒、非彈性失穩短圓筒和剛性圓筒等4種圓筒的外壓計算（見第1章第5節【例2】）。壓力容器工程技術人員使用ГОСТ14249對圓筒和錐殼分別給出的許用外壓力、許用軸向壓縮力、許用彎矩和許用橫向力計算公式，以及它們聯合載荷作用下的穩定校核公式，對于凸形封頭，給出的許用外壓力的計算公式，不用查圖取值，完全能解決殼體穩定工程計算的各種問題。

ГОСТ14249的其他規定：如計算沖壓成形的橢圓形封頭，如果封頭折邊區的減薄量不超過計算厚度的15%，不考慮c3，就是說，標準允許橢圓形封頭在折邊區有小于計算厚度15%的減薄量存在，見第1章【例3】；以橢圓形和半球形封頭直邊高度的判別式，決定與圓筒連接的封頭厚度的規定，橢圓形封頭厚度可以小于與其連接的圓筒厚度；α1≤70°錐殼過渡段計算；α1＞70°錐形封頭的計算等，這些都是GB150沒有或超出其范圍（對于錐殼α≤60°）的規定，體現了先進的技術水平。作者給出α1=75°錐形封頭的壁厚計算，見第1章【例4】。

  4．ГОСТ 24755 容器及設備開孔補強計算的規范和方法（見第3章），它的先進的技術水平在于：第一，開孔率最大，就是說，設置在圓筒或錐殼上的接管內徑可等于被開孔的圓筒內徑或開孔處錐殼內徑，即開孔率為1.0，這是世界主要國家的壓力容器標準中開孔率指標最大的開孔標準規范，開孔率比較見下表。第二，ГОСТ 24755也是采用面積法補強，因為該標準規定了“殼體在沒有多余壁厚條件下不要補強的開孔計算直徑”，所以所需補強面積要減去不要補強的開孔計算直徑所占據的面積。因此，所需補強面積要比GB150規定值小。GB150規定的所需補強面積中仍然埋藏且沒有挖掘出來不要補強的開孔計算直徑所占據的補強面積。從節約鋼材來看，這是有很大經濟效益的技術措施。在本書第3章第3節的【例2】中，作者以圓筒Di=2400mm，設置開孔接管內徑d=2200mm，開孔率為0.916，超過GB150規定的大開孔補強計算為例，來說明標準的使用。

開孔率 ГОСТ 24755 GB150 ASME-Ⅷ-2

JB4732

圓筒、錐殼 d/Di ≤1.0 Di≤1500，d/Di≤0.5，且d≤520

Di＞1500，d/Di≤0.33，且d≤1000 ≤0.5

凸形封頭  ≤0.6 ≤0.5 

該標準附錄給出斜接管、切向接管等多種單個開孔補強和聯合補強的圖例及補強計算規定，允許在橢圓形封頭和半球形封頭的邊緣區域開孔，且沒有限制條件。

  5．低循環的概念是，載荷循環次數為103～5×105。對于低循環疲勞強度計算，俄羅斯壓力容器專家不遵循ASME-Ⅷ-2的設計疲勞曲線的理論公式（見第4章理論公式的由來），認為該公式中的斷面收縮率ψ數據分散，而是在此基礎上開發出本國的計算疲勞曲線的實用理論公式，載入ГОСТ 25859（見第4章）。該標準有四大功能：一是已知許用應力［σ］、許用壓力［p］和操作壓力波動范圍Δp，按表4.3-1查得考慮焊接形式的系數，按表4.3-2查得考慮局部應力的系數后，按圖4.3-1至圖4.3-3查得許用壓力循環次數，沒有結構尺寸限制，比應力指數法簡便，見第4章第4節【例2】和第8章第6節；二是低循環疲勞強度的簡化計算，直接給出應力幅的計算公式，查計算疲勞曲線圖，或計算許用循環次數；三是低循環疲勞強度的精確計算，按板、殼、環、梁理論計算所考慮點的主應力，按給定公式計算應力幅，應力幅就是最大應力范圍乘以 “有效應力集中系數”的一半，最后可按疲勞曲線圖或直接計算許用循環次數；四是能解決設計的循環次數超過106的疲勞分析問題，如HDPE產品出料罐和吹出罐，按設計的循環次數6.7×106計算許用應力幅［σA］=65.3MPa，再將每個考慮點的應力幅≤［σA］，滿足設計要求，不用外推ASME-Ⅷ-2的設計疲勞曲線就能解決工程設計問題（見第4章小結）。顯然，ГОСТ 25859的功能比ASME-Ⅷ-2疲勞分析部分的功能強大，后者只能查圖確定許用循環次數，且沒有前者給出的一、二、四等三項功能。另外，JB4732規定，用理論的、實驗的或有限元應力分析方法確定應力集中系數來評價局部結構不連續效應，而該標準卻給出有效應力集中系數的計算公式，可直接采用。本書第5章還編入了指導性文件中載有的鋁合金、銅、黃銅、鈦、鈦合金的計算疲勞曲線及其有關規定，這是非常珍貴且難得的所需設計規范，足夠工程使用。該規范指出鋁制容器及設備在低循環載荷作用下不須進行疲勞分析。

  6．俄羅斯壓力容器標準，一是沿用ГОСТ標準，二是制修定新標準。俄羅斯國家標準是在ГОСТ之后加Россия的第一個字母Р，再加標準號和年號組成。如ГОСТ Р 51273-99塔式設備風載荷及地震載荷的計算，ГОСТ Р 51274-99塔式設備強度計算的規范和方法，均是對ГОСТ 24756-81和ГОСТ 24757-81的修訂，詳見本書第2章。塔式設備的穩定計算采用ГОСТ14249給出的穩定計算的現代方法。為了便于比較，作者按JB/T4710標準釋義中的例1和例2的數據，采用ГОСТ Р 51273給出的等截面塔和變截面塔自振周期計算公式，按標準規定簡化近似計算與例題計算，雖然計算旅途不同，但結果相同，強度計算和穩定計算的結果詳見第2章的例題。這兩項新標準為我國壓力容器設計人員提供多一種塔式容器規范選擇的可能，且不考慮按JB/T4710要求確定的，諸如“設計基本地震加速度，場地土類型，地震分組，地面粗糙度”等，對我國塔式容器標準研究也有重要的參考價值。

  7．第9章РД 26-16 容器及設備接管與殼體相貫處的應力計算方法，是世界各主要國家的壓力容器規范中均沒有創立的規范。它可填補我國便于手算求解接管與圓筒、錐殼、橢圓形封頭和半球形封頭相貫處（或帶嵌入式焊接環，或帶補強圈）應力計算規范的空白，是展現給壓力容器分析設計人員解決接管疲勞分析的非常有用的工具。作者給出例題，指出接管疲勞分析的手算步驟。

В.И.拉奇科夫（В.И. Рачков）博士是莫斯科化工機械制造科學生產聯合體、全俄化工機械制造科學研究設計院（НИИХИММАШ）的，全俄著名的壓力容器強度專家，是多項標準的主編人。作者與他和該院的В.А.Заваров院長有多次書信交流，在此感謝他們的真誠幫助，并在標準中加注В.И. Рачков的提示。

  壓力容器設計人員采用本書第1、2、3、4、5、9章強度計算的有關公式，使用GB150的鋼號和許用應力，計算結果偏于保守，且解決了GB150目前不能提供的相應規范和方法的問題。

  GB150/3.4.4條有關液柱靜壓力的規定，它的出處就是ГОСТ14249/1.2.2條。只要考慮兩條：一是允許橢圓形封頭在折邊區有小于計算厚度15%的減薄量存在；二是從所需補強面積中減去不要補強的開孔計算直徑所占據的補強面積。我國每年將為壓力容器制造節約大量鋼材。

  作者認為：從ANSYS分析與強度計算的關系來看，采用第1章ГОСТ14249給出的穩定計算的現代方法，不必進行ANSYS穩定性分析；采用第3章ГОСТ 24755進行超標大開孔補強計算，不必對開孔區域進行ANSYS應力分析；對于容器及設備的應力分析，首選的是采用規范給出的某些元件，或組合元件的邊緣載荷+壓力聯合作用的應力分析（不含峰值應力），對于疲勞分析，首選的是采用規范給出的某些結構最大的名義彈性應力的計算（如第4章ГОСТ 25859附錄），或者按規范給出的基本元件、組合元件的應力分析解，再計入ГОСТ 25859給出的有效應力集中系數，求得應力幅，或采用ГОСТ 25859的功能解決低循環疲勞強度計算，也不必進行ANSYS疲勞分析；由于壓力容器結構材質復雜，均為非標設備，規范給出的應力分析解只是有限的典型結構，在JB4732或ASME-Ⅷ-2中找不到適用于自己設計的組合殼體結構應力分析解，則采用不可替代的ANSYS分析，它能給出總應力強度最大值的節點所在位置；對于接管的疲勞分析，一般要進行三維ANSYS分析，并不簡便，所以選擇次序是，ASME-Ⅷ-2給出的應力指數法（簡單且偏保守，有尺寸結構限制），РД 26-16方法（精確，有尺寸結構限制），ГОСТ 25859和接管與殼體相貫處ANSYS分析。見第8章，接管疲勞分析的手算方法與殼體ANSYS疲勞分析配合使用，這是解決工程問題的一種好方法，是美國休斯頓應力工程顧問公司常用的方法。

  壓力容器設計人員選用國內外先進的壓力容器標準規范，沒有限制。

  本書可供壓力容器設計、檢驗和使用環節的工程技術人員參考，也可供大專院校過程裝備專業、鍋爐專業和壓力容器相關專業的師生參考，亦可作為ANSYS分析樣例和設計計算手冊使用。

  由于作者水平有限，對書中的錯誤，敬請專家和讀者給予指正。

前言
第1章  容器及設備的強度計算 1
第1節  概述 1
第2節  采用極限載荷法推導圓筒、封頭和平蓋的強度計算公式[5] 1
第3節  容器及設備元件穩定計算的現代方法[5] 6
第4節  ГОСТ 14249容器及設備強度計算的規范和方法 13
第5節  計算例題 58
第6節  小結 68
第2章  塔式設備的強度計算 70
第1節  概述 70
第2節  ГОСТ Р 51273 塔式設備風載荷及地震載荷的計算 70
第3節  ГОСТ Р 51274塔式設備強度計算的規范和方法 79
第4節  計算例題 89
第5節  小結 97
第3章  大開孔補強計算 99
第1節  概述 99
第2節  ГОСТ 24755容器及設備開孔補強計算的規范和方法 99
第3節  計算例題 116
第4節  小結 122
第4章  鋼制容器及設備低循環疲勞強度計算 123
第1節  概述 123
第2節  低循環疲勞強度計算的理論基礎[5] 123
第3節  ГОСТ 25859鋼制容器及設備低循環疲勞強度計算的規范和方法 126
第4節  計算例題 146
第5節  小結 148
第5章  有色金屬容器及設備低循環疲勞強度計算 150
第1節  概述 150
第2節  РД 26-01-162有色金屬容器及設備低循環疲勞強度計算的規范和方法 150
第3節  銅、黃銅、鋁合金的許用應力和彈性模量[16] 156
第4節  РД 24.200.17-90鈦制容器強度計算的規范和方法 157
第5節  小結 171
第6章  ANSYS分析基礎 173
第1節  概述 173
第2節  ANSYS分析基礎 173
第3節  Primary Stress和Secondary Stress的原意 186
第4節  總應力線性化處理 186
第5節  應力強度 186
第6節  對ANSYS分析結果給出的應力分類進行識別和提取 187
第7節  壓力容器分析常用單元類型 189
第8節  法蘭剛度的減弱系數 190
第9節  單位 190
第10節  小結 191
第7章  熱壁加氫反應器ANSYS分析 192
第1節  設計條件 192
第2節  壓力應力分析 193
第3節  熱分析 225
第4節  熱應力分析 235
第5節  第二次熱分析 240
第6節  第二次熱應力分析 245
第7節  間接耦合法求解壓力應力+熱應力的組合應力 249
第8節  應力強度評定 257
第9節  降低熱應力的有效措施 261
第10節  小結 262
第8章  高壓空氣儲罐ANSYS疲勞分析 264
第1節  設計條件 264
第2節  壓力應力分析 265
第3節  按映射網格求解并與自由網格的結果比較 282
第4節  考慮法蘭力矩 292
第5節  殼體疲勞分析 302
第6節  接管疲勞分析 307
第7節  小結 309
第9章  容器及設備接管與筒體和封頭相貫處的應力計算方法 311
第1節  概述 311
第2節  РД 26-16容器及設備接管與殼體相貫處的應力計算方法 314
第3節  計算例題 339
第4節  小結 342
參考文獻 344

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