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局部载荷计算在压力容器中的应用

更新时间:2009-03-28

1 局部载荷计算的必要性

压力容器设计中,除了要保证容器的整体强度之外,对容器上的一些局部结构,也需进行强度计算,以确保这些特殊部位在设备正常运行或安装时的安全。在常规设计中也经常要求进行局部结构的应力分析。这些局部结构是指容器上受压力之外其他外载荷的部位,如与接管的连接处,安装有支座、吊耳的部位等等。

压力容器的常规设计标准GB / T 150中并未给出局部结构的应力分析方法和强度评定条件的一般性准则。因此,设计人员在进行局部结构的应力分析时需要依据工程经验以确定合适的计算模型、方法和强度条件,这就不可避免地带来了一定的随意性。对于同样的一个结构和受载条件,当选择不同的计算模型或强度条件后,可能会得到截然不同的结论[1]

然后,运用考虑环境负产出的动态EBM-MI指数来测算中国各工业行业的低碳全要素生产率,且期到期的动态Malmquist指数的具体表达式如下:

因此有必要对各种局部载荷计算方法进行了解,熟悉各自的适用范围,以便在计算时选取一个合适的计算方法。

2 局部载荷计算方法简介

2.1 WRC 107公报

2.1.1 球壳上的局部应力

胶州大白菜通过针对经销商进行单一性供应,使用不同包装,满足了不同的需求制定差异化价格定位,品牌产品价格常年处于市场稳定状态,逐步实现了稳定的供销和利润链条关系,减少了产品的流通环节,且胶州市交通便利,减少了损耗,降低了成本。

WRC 107公报用于外载荷通过圆形或方形接管或实心附件对球壳上引起的局部应力计算。

2.1.2 圆柱壳上的局部应力

3.1.3 EN 13445中补强圈

2.2 WRC 297公报

WRC 297公报用于外载荷通过接管与圆柱壳连接结构中局部应力计算。该方法不但能计算圆柱壳与接管连接区域中圆柱壳上的最大应力,还能计算接管上的最大应力。

2.3 EN 13445

3.1.5 CSCBPV-TD 001—2013中补强圈

PD 5500规定当补强圈边缘到接管外壁的宽度时,可按靠近接管处球壳局部壁厚(补强圈和球壳厚度之和)进行应力计算。

EN 13445对补强圈宽度没有限制,EN 13445计算中采用了将补强圈等效为壳体厚度的计算方法。

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对于空心附件,EN 13445不但适用于平齐接管,而且也适用于内伸接管。

EN 13445认为横向力和扭矩所引起的剪切应力对结构的极限载荷影响不大,所以没有计及上述外载荷的影响。

对于不同外载荷及压力组合的评定是非常棘手的问题,到目前为止此问题尚未完全解决。EN 13445 目 前 采 用 式 max (│ΦPZ│;│ΦZ│;│ΦP- 0.2ΦZ│) +│ΦB│ ≤ 1.0 所规定的线性组合控制,这样将导致一个比较保守的结果。

2.3.2 圆柱壳上的局部应力

第二、牢牢把握我国工人运动的时代主题,为实现中华民族伟大复兴的中国梦而奋斗。当代工人阶级肩负着神圣历史使命,习近平总书记强调:工会要牢牢抓住这个主题,把推动科学发展、实现稳中求进作为发挥作用的主战场,把做好新形势下职工群众工作、调动职工群众积极性和创造性作为中心任务,使中国梦真正同每个职工的个人理想和工作生活紧密结合起来,真正落实到实际行动之中。

EN 13445认为横向力和扭矩所引起的剪切应力对结构的极限载荷影响不大,所以没有计及上述外载荷的影响。

EN 13445.3提供了圆柱壳上开孔接管作用有外载荷的设计方法,并考虑了介质压力的影响。由于结构是非轴对称的,所以很难找到—个简单的方法来确定不同外载荷单独作用时的最大许用值。EN 13445采用了近似的极限分析方法,即按WRC 297方法计算不同外载荷单独作用时所导致的最大应力值并限定为2.25,由此获得该外载荷的极限值。

对于不同外载荷及压力组合作用下的球壳接管,EN 13445采 用 max (│Φpz│;│Φz│;│Φp- 0.2Φz│) +│ΦB│ ≤ 1.0 线性组合控制,一般来说此规则也适用于圆柱壳接管。然而EN 13445所定义的圆柱壳接管的外载荷极限值相当保守,所以 EN 13445 采用 max (│ΦP /C4z│;│Φz│;平方组合控制,这可在一定程度上避免过分保守。然而即使如此,所导致的结果仍然较保守,因此EN 13445计划在以后版本中改进该设计规则[2]

2.4 PD 5500

2.4.1 球壳上的局部应力

PD 5500对球壳的局部应力分析分为两种情况,一种是采用P. P. Bijlaard在未开孔球壳作用有外载荷时的应力分析方法,即和WRC 107采用同样的理论分析,但只取接管是实心的情况,并且由于所采用的工程处理方法有所不同。因而其最终表示形式和WRC 107公报不同。

另一种是采用了F. A. Leckie和R. K. Penny提出的球壳上开有径向接管时在内压和附加外载荷作用下的应力集中系数方法。Leckie和Penny的理论并不仅限于扁壳,它提供了比Bijlaard方法(即WRC 107)具有更大d / D(≤0.5)范围及更好计算精度的方法。该方法适用于平齐及内伸接管(PD 5500规定如接管的内伸长度小于即使接管内伸也只能按平齐接管处理。)。

小儿急性喉炎是一类以声门区为主喉部粘膜发生炎症的急性炎症性疾病,主要病因于病毒、细菌感染,多继发于上呼吸道感染疾病后患病,也有可能是急性传染病前驱症状或并发症。主要临床表现为声音嘶哑、咳声如犬样等。严重情况下可能会导致患儿出现喉梗阻,严重影响患儿正常发育,降低患儿生活质量。有相关研究表明[1] ,急性喉炎患儿应用普米克令舒与地塞米松两种不同药物治疗,都能够缓解病人症状,促进疾病恢复。为此,本文探讨普米克令舒与地塞米松治疗的疗效,现将具体报告如下。

由于周向或轴向横推力以及外加扭矩只对球壳引起剪切应力,而剪切应力对构成复合应力当量强度所起的作用不大,所以PD 5500并未计及周向及轴向横推力以及扭矩对球壳所引起的剪切应力。

当介质压力P、径向载荷Q、力矩M、横推力S同时作用下,PD 5500规定可将每一单独载荷作用下求出的最大应力值相加。显然,由各不同载荷作用下在球壳上所引起的最大应力值可以以不同的方向并存在于不同的位置上,所以按照将各最大应力值相加以求取各种载荷同时作用下所引起最大应力的方法总是偏于保守的。

PD 5500之C2.8.2给出了球壳在局部载荷作用下的另一设计规则。该方法和EN 13445的方法一致。2.4.2 圆柱壳上的局部应力

PD 5500根据P. P. Bijlaard对在未开孔圆筒上的矩形区域内作用有径向载荷时的理论解,而把作用在圆柱壳上的周向或轴向弯矩对圆筒的影响当量处理为一定范围内大小相等、方向相反的径向载荷所构成的力偶,然后按受径向载荷时同样的原理分别求解。由于外加周向、轴向推力及扭矩只对圆柱壳引起剪切应力,而剪切应力对复合应力当量强度所起的作用不大,所以PD 5500并未考虑上述载荷。

PD 5500是以未开孔圆筒作为基础,所以仅适用于圆筒上由于支座等附件而引起的外载荷,而不适用于圆筒上的开孔接管。如需考虑介质压力的影响,可将介质压力与径向载荷所导致的应力直接相叠加而获得一个比较保守的结果 [3]

钢混凝土叠合梁,即利用剪力件等构件,使钢梁与混凝土板相连接而实现共同应力、变形的建筑结构。钢混凝土叠合梁模板的最大优势体现在极为良好的抗压韧性,这与其本身包含钢材质的特性紧密相关。除此之外,重量轻、抗压能力大、结构简单等也是其基本的特点,由于这些特性,使得钢混凝土叠合梁模板在近些年来广受建筑领域青睐,尤其在桥梁施工方面。

2.5 CSCBPV-T D 001—2013

CSCBPV-TD 001—2013基于精确的圆柱薄壳理论,给出了圆柱壳开孔结构在内压与支管载荷作用下的薄壳理论解。解的适用范围扩大到ρ0= d/D≤0.9,解的结果与前人的实验值和有限元分析能很好地吻合;并在小开孔率情况下与WRC 297一致。与WRC 297相比,该设计方法除适用范围更为扩大外,还在若干方面克服了该方法的缺陷。

由于CSCBPV-TD 001—2013是内压载荷下带径向接管圆柱壳开孔处的薄膜理论解,因此仅适用于内压工况。

若接管所受外力矩MyMz过大,不能满足αMy=pρrR2/My≥ 0.8,αMZ=pρrR2/MZ≥ 0.4,应采用其他方法(如有限单元法)进行应力分析。[4]

3 设计中的注意事项

3.1 补强圈(衬垫板)

3.1.1 WRC 297中补强圈

3.拆分法。形声字中有一部分字可以拆分,拆分后其形符和声符均能独立成字。例如“挑”可以拆分为形符“手”和声符“兆”两部分。

晶体管工作时,稳定的工作电压是提高测试精度的一个重要环节,因此要选用高精度电源为晶体管提供工作电压。同时,在辐照过程中晶体管的直流增益将随辐照注量的变化而不断变化,测试中以选定的集电极电流IC为限定值,而为了让基极电流IB满足IC的测试条件,应由信号源为晶体管的基极提供一个锯齿波输入脉冲,且信号幅度和频率必须满足测试要求。另外,电源与上位机之间采用通讯方式将回读电压与输出电压进行比较,并控制电源对电压进行自动调节。

WRC 297规定,当补强圈宽度小于时,在计算A、B、C、D各点的各项应力公式中的T值时,不计入补强圈厚度;但在计算MrMθ时,则应计入补强圈厚度。以上规定采取了保守处理,即补强圈宽度不满足要求时,不考虑补强圈的厚度,但由于局部加强的原因,壳体和接管中的弯曲应力会变大,所以规定在计算MrMθ时,计入补强圈厚度。当补强圈宽度大于等于时,在计算A、B、C、D各点的各项应力公式中的T值时,计入补强圈厚度。此时计算所得为A、B、C、D各点处圆筒(包括补强圈)上的各项应力。另外对于补强圈宽度大于或等于这种情况,WRC 297规定,还应检查补强板边缘处壳体的应力,以确保由于局部荷载引起的应力不会过载。

在采用SW6局部应力模块进行计算时,SW6会提示WRC 297推荐补强圈最小外径的数值,这个数值比文献[5]的尺寸要大很多。且不论输入补强圈外径多大,SW6计算过程中均是采用壳体厚度加补强圈厚度进行计算的,即默认补强圈宽度大于或等于这样在采用规格尺寸为文献[5]的补强圈且宽度不满足加强要求时,在计算A、B、C、D各点的各项应力时,应按前述规定进行手工核算。即在SW6计算结果的基础上,乘以系数[( T圆筒+T补强圈)/T圆筒]2,然后对 A、B、C、D各点的各项应力重新进行叠加求和。

在采用PVElite中CodeCalc的WRC 297模块进行计算时,也是不论输入补强圈外径多大,计算过程中均是采用壳体厚度加补强圈厚度进行计算的,即按补强圈宽度大于或等于计算。但是PVElite考虑了补强圈边缘处筒体的局部应力,即以补强圈外径代替接管外径,并以T+TR代替T来求取附件参数λT / td / t;但在计算A、B、C、D各点的各项应力的公式中的T值时,不再计入补强圈厚度TR

3.1.2 WRC 107中补强圈(衬垫板)

WRC 107中对开孔接管的补强圈和实心附件的衬垫板并没有提及。但文献[6]据WRC 297的规定,将其引申到球壳上接管或实心附件并规定,当附件边缘至补强圈边缘的距离小于时,在确定壳体参数和附件参数时,以T+TR代替T;但在计算A、B、C、D各点的各项应力公式中的T值时,不计入补强圈厚度TR。当补强圈宽度大于等于时,确定壳体参数和附件参数时,以T+TR代替T;并在计算A、B、C、D各点的各项应力的公式中以T+TR代替T。此时所得为A、B、C、D各点处的各项应力。另外应以补强圈半径代替接管半径,并以T+TR代替T来求取壳体参数和附件参数;但计算A、B、C、D各点的各项应力的公式中的T值时,不计入补强圈厚度TR,以求取补强圈外周边处壳体上的各项应力。

在分别采用SW6局部应力模块和PVElite中CodeCalc的WRC 107模块进行计算时,不论补强圈外径输入多少,计算过程中均是采用壳体厚度加补强圈厚度进行计算的,即按补强圈宽度大于或等于进行计算的。这与文献[6]的规定不符,建议在采用规格尺寸为文献[5]的补强圈且宽度不满足加强要求时,在计算A、B、C、D各点的各项应力时,应按前述规定进行手工核算,即在SW6计算结果的基础上,乘以系数[ (T+TR) / T ]2,然后对A、B、C、D各点的各项应力重新进行叠加求和。

WRC 107公报用于外载荷通过圆形附件、方形附件、矩形附件对圆柱壳的局部应力计算。并且只考虑了圆柱壳与一圆形实心体连接的结构,没有包括圆柱壳与接管连接的结构。

EN 13445.3给出了球壳上接管作用外载荷时的设计方法,并考虑了介质压力的影响。其理论基础是基于应力分析和极限载荷分析方法。极限载荷是N.Kiesewetter和Wolfel的理论分析,而应力分析吸取了F.A.Leckie和R.K.Penny的设计方法。

3.1.4 PD 5500中补强圈

班组建设作为企业强基固本的基础工程、战略工程,要针对目前班组建设中出现的一些问题,有针对性地开展工作。新形势下的班组建设必须从精细管理入手,创新机制载体,丰富创建内容,把握关键、突出重点,深入开展“紧贴一个中心,健全两项机制,狠抓三个内容”的“123”工程,最大限度地激发班组员工的积极性和创建热情,从而更好地推动企业发展。

这里还需注意,在PVElite中CodeCalc的PD 5500模块中,当输入补强圈数据时,不论补强圈外径输入多大,默认是按补强圈宽度符合上述要求进行计算的。

2.3.1 球壳上的局部应力

CSCBPV-TD 001—2013不适用于带补强圈结构。

3.2 接管外伸长度和载荷方向

SW6局部应力模块用户手册中说明:“管道专业进行应力计算时,经常计算到设备接管法兰处,也就是说管道专业向设备提外载荷条件时,载荷作用点在设备接管法兰面上,且载荷不一定沿壳体轴线平行或垂直,所以为了方便用户,在本模块中引入接管外伸长度,并定义了两个坐标系统,l-2-Z为外载荷坐标系,X-Y-Z为设备坐标系(X轴平行壳体轴线,Y轴为壳体切线,Z轴为壳体径向)程序自动将1-2-Z坐标系外载荷转变为X-Y-Z坐标系载荷,如两坐标系方向相同,两坐标系夹角为零,如管道专业所提载荷作用点在接管根部,则接管外伸长度为零。

SW6局部应力模块用户手册中说明:“计算时请注意载荷的方向,载荷方向与SW6程序中所示方向相同时,载荷为正值,否则为负值。

SW6局部应力模块WRC 107、WRC 297的柱壳上附件计算视图中,XY方向的水平力和弯矩总会有一个方向和文献[7]中的方向相反(图1,图2)。

团结乡乡村旅游发展以及“美丽家园”建设是一个长期而艰巨的任务,在其后期的发展、建设过程中,仍需要进一步研究和实践。将PPP模式运用到美丽乡村旅游发展建设中,及对乡村旅游相关从业人员进行培训等,对促进云南乡村旅游的发展有着积极的作用。

  

图1 SW6里载荷的方向Fig.1 Direction diagram of load in SW6

  

图2 文献[7]里载荷的方向Fig.2 The direction diagram of the load in document [7]

当选择文献[7]中的标准载荷及作用方向时,如果输入接管外伸长度,则XY方向的载荷应有一个方向输入负值,不然会导致XY方向的弯矩叠加后的结果偏大或偏小。如果接管不外伸,则在SW6里Y方向是否输入负号,对计算结果并无影响。因为WRC 107和WRC 297分别计算A、B、C、D各点应力,而它们是两两对称的,即一侧受拉一侧就受压,载荷的正负关系只是影响最大应力的位置,对最终应力的叠加结果并无影响。

EN 13445在计算封头或筒体上的载荷时,可以不考虑弯矩的方向,因为弯矩是按组合弯矩进行计算的;但必须考虑轴向力Fz的方向,因为Fz的方向会影响σz的计算结果。σz的计算公式如下:

 

另外EN 13445需校核接管的纵向应力及接管的轴向稳定性,因此要求接管长度不小于所以在SW6计算中,不能像计算WRC 107、WRC 297那样输入接管外伸长度为零,即将载荷作用点取到接管根部。

3.3 内压产生的应力

由于WRC 107、WRC 297并未考虑内压的作用因素,而在SW6局部应力计算中,增加了内压产生的轴向应力和环向应力部分。请注意,这些应力仅是由内压产生的膜应力,而内压在结构不连续处产生的弯曲应力目前还无解析法计算。在A、B、C、D点内外表面部分也只能加上膜应力了。请在用于重要的大的接管场合时,千万留心这一点[8]

AS是一种复杂的慢性进行性疾病,是患者死亡的主要原因之一[11]。临床研究证实,二甲双胍具有血管保护作用,可降低心血管事件的发生率和病死率[12]。AS是T2DM患者最常见的并发症,血管内皮受损可进一步加剧AS恶化程度,而由此引发的心血管事件也是导致T2DM患者死亡的首要原因[13]。血管平滑肌细胞的增殖和迁移在AS发生、发展进程中发挥着重要的作用。有研究报道,二甲双胍可活化5′-腺苷单磷酸激活的蛋白激酶(AMPK),后者可通过抑制p53和干扰素γ诱导蛋白16(IFI16)来阻止动脉平滑肌细胞的增殖和迁移,从而干扰血管的重构、减缓AS的进程[14]。

3.4 SW6和PVElite在局部应力计算中的差异

3.4.1 计算壳体参数U时的差异

下面举例描述SW6和PVElite在计算壳体参数U时的差异。

如椭圆封头内径1 000 mm,封头厚度10 mm,接管外径120 mm。图3为SW6的计算结果,可以看出壳体参数U = 0.628,连接件参数γ =5.5,ρ =1;图4为PVElite的计算结果,可以看出壳体参数U = 0.84,连接件参数TAU = 5.5,RHO =1。

比较两个软件的计算结果,只有壳体参数U的数值不同。区别在于进行壳体参数U的计算时,SW6的Rm(球壳或碟形封头球面部分的平均半径,或椭圆封头的当量平均半径)取的是输入内径的折算当量球面直径;而PVElite的Rm取的是输入内径。

我们呢?袁安将目光收回来,去看他三个听得目瞪口呆的小伙伴。吴耕将嘴里含着的馒头取出来,认真地说:“我不想学武功,也不想学医术,也不想成仙,我想去万花谷种地,我们几个搭一个茅草棚子住着,早上起来,赶着一头水牛,河边种水稻,坡上种小麦,再养一群鸡,几只鸭,两只鹅,两头猪,光种花总归是不行的,花好看是好看,能填饱肚子?”

因此,在PVElite中CodeCalc的WRC 107模块中,当封头为椭圆或碟形时,容器直径应输入封头的当量球面直径而非封头的实际直径,否则软件查取的壳体参数U将不正确。

3.4.2 计算结果的差异

  

图3 SW6计算结果Fig.3 SW6 calculation results

  

图4 PVElite计算结果Fig.4 PVElite calculation results

SW6和PVElite两个软件在查取图表中所取参数不同、计算精度不同,导致A、B、C、D各点的各项应力的计算数值有微小差异,当各项应力叠加后的总应力就会有不小的偏差。因此建议不论采用哪种软件,在计算时都应留有一定的裕量,对于重要的大的接管场合时,建议采用两种软件分别进行核算。

4 小结

以上各种局部载荷计算方法,都有其各自的适用范围和局限性。在进行压力容器设计时,有必要对这些方法的力学模型、使用条件,应力组合的思路以及某些未予计及的问题进行分析,以便在使用这些方法时尽可能地更接近于实际的设计。

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许宏亮
《化工设备与管道》 2018年第01期
《化工设备与管道》2018年第01期文献

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