美國機械工程師協會2007年頒布的壓力容器規範ASME Ⅷ2《壓力容器建造另一規則》提出了很多新的設計理念，可稱為新一代壓力容器分析設計規範。本書詳細介紹了該規範分析設計篇的主要內容，並從理論基礎、技術背景、條款解讀、軟體實施、工程套用、美歐對比、注意事項等多個方面進行詳細闡述。同時，為了更好地理解該新一代分析設計規範，本書有些章節也會簡要闡述歐盟直接法的理念和相關內容以及近20年來壓力容器分析設計的最新成果。本書可供壓力容器設計、製造、使用和檢驗等環節的工程技術人員使用，也可供大專院校壓力容器及相近專業師生參考。
基本介紹
- 書名：ASME壓力容器分析設計
- 類型：科技
- 出版日期：2014年4月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：9787562838128
- 作者：沈鋆
- 出版社：華東理工大學出版社
- 頁數：226頁
- 開本：16
- 品牌：華東理工大學出版社
內容簡介,圖書目錄,序言,
內容簡介
《ASME壓力容器分析設計》可供壓力容器設計、製造、使用和檢驗等環節的工程技術人員使用，也可供大專院校壓力容器及相近專業師生參考。
圖書目錄
1歷史沿革1
1.1ASME分析設計提出的背景1
1.2歐盟EN13445的頒布2
1.3ASMEⅧ2的現代化2
1.4無需應力分類的分析設計方法3
2規範概述4
2.1總體要求4
2.2術語定義4
2.3符號說明7
3數值分析12
3.1規範要求12
3.2有限元法的求解思想和工具13
3.2.1離散化的思想13
3.2.2分段線性化思想14
3.2.3塑性本構關係的增量理論14
3.2.4有限元分析軟體14
3.3ANSYS軟體介紹15
3.3.1分析類型15
3.3.2實體建模16
3.3.3格線劃分16
3.3.4常用單元17
3.3.5載荷施加22
3.3.6後處理23
3.4Workbench平台介紹23
3.4.1與CAD軟體的相關性及雙向相關性24
3.4.2完全參數化的分析環境24
3.4.3適應性強的格線剖分25
3.4.4基於知識的自動化25
3.4.5真正的工程嚮導26
3.4.6專利技術：基於Web的工程報告生成系統26
3.4.7自動接觸識別26
3.4.8ANSYS命令及APDL訪問26
3.4.9客戶化26
3.5Workbench套用技巧27
3.5.1快捷的幾何建模27
3.5.2巧用Slice功能劃分規則六面體格線27
3.5.3載荷施加28
3.5.4便捷的耦合分析30
4載荷條件31
4.1載荷工況31
4.2載荷說明32
4.3結構對載荷的回響33
5載荷係數的由來35
5.1彈性應力分析35
5.2極限載荷分析37
5.3彈塑性應力分析38
5.4局部失效準則39
5.5水壓和氣壓試驗工況39
5.6適用性40
6載荷和抗力係數法41
6.1設計理念41
6.2載荷與強度41
6.3結構可靠度理論43
6.4載荷係數和抗力的取值原理43
6.5LRFD法和ASD法對比44
7塑性垮塌的評定46
7.1彈性應力分析方法47
7.1.1當量應力的概念47
7.1.2應力分類線的選擇48
7.1.3應力線性化的方法50
7.1.4應力分類52
7.1.5評定步驟56
7.2極限載荷分析法57
7.2.1極限分析基本概念57
7.2.2極限分析的套用現狀58
7.2.3極限分析基本假設58
7.2.4計算極限載荷的方法58
7.2.5確定極限載荷的準則59
……
8局部失效的評定
9屈曲的評定
10疲勞的評定
11棘輪的評定
12結構應力的計算
13疲勞循環計數法
14簡化的彈塑性方法中的塑性修正
1.1ASME分析設計提出的背景1
1.2歐盟EN13445的頒布2
1.3ASMEⅧ2的現代化2
1.4無需應力分類的分析設計方法3
2規範概述4
2.1總體要求4
2.2術語定義4
2.3符號說明7
3數值分析12
3.1規範要求12
3.2有限元法的求解思想和工具13
3.2.1離散化的思想13
3.2.2分段線性化思想14
3.2.3塑性本構關係的增量理論14
3.2.4有限元分析軟體14
3.3ANSYS軟體介紹15
3.3.1分析類型15
3.3.2實體建模16
3.3.3格線劃分16
3.3.4常用單元17
3.3.5載荷施加22
3.3.6後處理23
3.4Workbench平台介紹23
3.4.1與CAD軟體的相關性及雙向相關性24
3.4.2完全參數化的分析環境24
3.4.3適應性強的格線剖分25
3.4.4基於知識的自動化25
3.4.5真正的工程嚮導26
3.4.6專利技術：基於Web的工程報告生成系統26
3.4.7自動接觸識別26
3.4.8ANSYS命令及APDL訪問26
3.4.9客戶化26
3.5Workbench套用技巧27
3.5.1快捷的幾何建模27
3.5.2巧用Slice功能劃分規則六面體格線27
3.5.3載荷施加28
3.5.4便捷的耦合分析30
4載荷條件31
4.1載荷工況31
4.2載荷說明32
4.3結構對載荷的回響33
5載荷係數的由來35
5.1彈性應力分析35
5.2極限載荷分析37
5.3彈塑性應力分析38
5.4局部失效準則39
5.5水壓和氣壓試驗工況39
5.6適用性40
6載荷和抗力係數法41
6.1設計理念41
6.2載荷與強度41
6.3結構可靠度理論43
6.4載荷係數和抗力的取值原理43
6.5LRFD法和ASD法對比44
7塑性垮塌的評定46
7.1彈性應力分析方法47
7.1.1當量應力的概念47
7.1.2應力分類線的選擇48
7.1.3應力線性化的方法50
7.1.4應力分類52
7.1.5評定步驟56
7.2極限載荷分析法57
7.2.1極限分析基本概念57
7.2.2極限分析的套用現狀58
7.2.3極限分析基本假設58
7.2.4計算極限載荷的方法58
7.2.5確定極限載荷的準則59
……
8局部失效的評定
9屈曲的評定
10疲勞的評定
11棘輪的評定
12結構應力的計算
13疲勞循環計數法
14簡化的彈塑性方法中的塑性修正
序言
壓力容器分析設計最早源自美國機械工程師協會的ASME Ⅲ 《核設施元件建造規則》，該協會於1968年發布ASME Ⅷ2《壓力容器另一規則》。此後30年，各國紛紛參照ASME Ⅷ2制定本國的分析設計規範，但總的來說壓力容器分析設計方法與上世紀六十年代相比變化並不大。
近15年來，國際上壓力容器規範發生了巨大的變化。歐盟於1997年頒布承壓設備指令PED，隨後，2002年5月30日頒布與其配套的EN 13445《非燃燒壓力容器》建造規範，提出了很多新理念和新觀點，這對ASME壓力容器規範來說，無疑形成了挑戰。
為此，ASME提出要實現“Ⅷ2規範現代化”,重新改寫原ASME Ⅷ 2，以抗衡EN 13445，並保持在壓力容器設計規範方面的統治地位。這部2007年7月1日頒布的新版ASME Ⅷ 2前後制訂歷時多年，系統總結了近40年來分析設計方法在基本思想和基本理念方面的重大進展，吸收了諸多壓力容器前沿技術，全面引入了數值分析方法和無需應力分類的彈塑性分析方法，其主要特點如下：
以失效模式為主線編制分析設計的規則，考慮了四種失效模式：①整體塑性垮塌失效；②局部失效；③屈曲引起的垮塌失效；④循環載荷引起的失效,包括疲勞和棘輪。
全面引入數值分析方法（主要是有限元分析），對如何將數值分析套用於工程設計制定了一系列應該遵循的原則和步驟。規範所提供的各種設計和評定方法大部分都是以數值分析的結果為基礎的。
彈性應力分析準則中的強度理論由第三強度理論改為第四強度理論。
除了繼續套用彈性應力分析方法外,還對總體塑性垮塌、局部失效、屈曲垮塌和循環失效等4種失效模式全面引入了彈塑性分析方法。無須進行應力分類的分析設計方法是壓力容器設計現代化的熱點。
提出了基於載荷和抗力係數設計（Load and Resistance Factor Design）概念的彈塑性設計程式。
對於局部失效，提出了基於局部應變失效的新設計方法。這種方法無需應力分類。
對於屈曲垮塌，由於採用了數值分析方法，可以計算任意形狀元件的屈曲載荷，包括彈性屈曲分析和彈塑性屈曲分析。
針對焊接接頭疲勞評定，提出了基於當量結構應力範圍的評定方法，該方法對有限元格線不敏感，也是目前世界上最先進的疲勞評定方法之一。
當前，全球壓力容器分析設計規範總體上分為兩大體系，即美國的ASME Ⅷ2和歐盟的EN 13445，其他各國的分析設計規範雖然各有特色，但總的來說沒有脫離這兩部規範的體系。ASME鍋爐壓力容器規範已被100多個國家接受，並作為滿足當地壓力容器法規的技術規範。在國內，美歐分析設計方法的工程套用也越來越受到業界的重視。截至2013年6月16日，我國已有695家廠商取得了1 065張ASME授權證書，以更有利地參與全球市場競爭。但是，就分析設計方法的套用，我國壓力容器分析設計人員面臨著眾多挑戰，主要有以下幾個方面：
（1） 分析設計越來越普遍。相比常規設計（EN 13445稱為公式設計），分析設計也變得越來越“常規”，這個趨勢在最近幾年尤其明顯。EN 13445（2009）附錄B.1（直接法）中也寫道：分析設計為任意元件在任意載荷下的設計提供了規則。其可作為公式設計的替代或補充。附錄C.1（彈性分析和應力分類）中也有類似表述。EN 13445沒有將分析設計與常規設計分為兩部規範，新版ASME Ⅷ2規範也在其第4篇中列入了“規則設計”。可預見，不久的將來，分析設計不再是一項“高級技術”，而只是一種與常規設計可相互替換和補充的設計方法而已，每個設計人員都應掌握。
（2） 設計人員對計算機及程式的套用負責。ASME Ⅷ2前言中寫道：委員會認為設計和分析所用的工具和技術是隨技術進步而進步的，希望工程師在套用這些工具時做出可靠的判斷。規範既不要求，也不禁止使用計算機來對按規範要求建造的元件進行設計或分析。但是，採用電腦程式進行設計或分析的設計人員和工程師應注意：他們要對所採用的程式中固有的一切技術性假設負責，且對設計中這些程式的套用負責。也就是說，規範只給出設計規則，至於用什麼工具和技術由設計人員負責，這對設計人員而言確實是一項挑戰。
（3） 數值分析的精確性和正確性由設計者負責。ASME Ⅷ2中5.1.2.3節寫道：（規範）對應力分析方法、元件建模及分析結果的證實均未提供建議。雖然設計過程中的這些方面是重要的，且在分析中必須加以考慮，但由於這些方法和設計過程的可變性，（規範）未提供這些主題的詳細處理方法。但是，精確的應力分析包括所有結果的證實作為前言
美國ASME壓力容器分析設計設計的一個部分必須提供。再如：ASME Ⅷ2中5.2.3節的極限載荷分析法和5.2.4節的彈塑性分析法把極限（塑性垮塌）載荷定義為數值分析不收斂的那個點，但對非線性分析求解中的收斂準則沒給出任何指導。EN 13445（2009）附錄C.1（彈性分析和應力分類）中也有類似表述：確定應力所採用的方法由製造者負責。
（4） 商業有限元軟體的功能強大而複雜。如：提供豐富的單元和分析類型，各種自動格線劃分功能，應力線性化，應力分類，疲勞的前、後處理，焊縫的建模和評估，最佳化系統，專家系統，知識管理系統，甚至融入了質量管理體系。面對功能如此強大且仍在飛速發展的有限元軟體，要對其熟練掌握，無疑是有一定難度的。
（5） 規範與有限元法及程式的融合。目前分析設計絕大部分採用有限元法完成，但規範對如何運用有限元法來進行壓力容器及其元件的設計和評估並未給出詳細的指導和明示。例如在模型中如何設定邊界條件或確定衰減長度，如何進行螺栓、焊縫、局部載荷、管口、支座、管板等的分析，如何進行後屈曲、總體塑性、安定、蠕變等高級分析，這些都沒有給出詳細指導。如何套用有限元軟體來完成一個符合規範要求的分析成了設計人員必須掌握的技能。相比分析設計規範的制定，似乎套用有限元法來實施符合規範要求的分析更有難度。
（6） 對有限元分析過程和結果的驗證。相比其他的設計方法（如ASME Ⅷ2第4篇中的規則設計），基於有限元法的分析設計面臨的一個主要問題就是對其過程和結果的正確性驗證。分析過程中來自設計者或者軟、硬體的主、客觀不確定因素遠多於解析法或公式法。通俗地講，不同的人採用不同的軟、硬體會得出不同的結果，比如屈曲分析中，由於單元類型或格線劃分的不同，可能出現不同的屈曲模式和屈曲載荷。此類問題如何驗證，規範沒有給出指導，僅在其前言中提到：委員會……制定的規則，不能理解為以任何形式限制製造廠自由選擇任何符合規範規則的設計方法和建造方式。換句話說，有限元分析法的不確定性是不可避免的，其過程和結果是否“符合規範規則”由設計者做出判斷。
所以，對設計者而言，即使理解了規範條款，似乎還遠遠不夠，還應掌握其他一些基本技能，如：了解工程現象及其相關的背景知識，能熟練使用有限元分析軟體，能夠將實際結構抽象為數值模型。簡單地說，就是如何套用有限元軟體來完成符合規範要求的分析和設計。這就要求分析設計人員要對設計規範有充分的認識，理解規範條款的理論基礎和來源，了解有限元理論的知識，熟悉有限前言
美國ASME壓力容器分析設計元軟體的操作、計算原理及其與有限元理論的差異。設計者作為規範和工具間的橋樑，起著至關重要的作用，必須既懂規範又懂工具，否則，再先進的規範、再好的軟、硬體設施也不能得出理想的設計方案，甚至還會帶來安全隱患。
本書將圍繞新版ASME Ⅷ 2第5篇分析設計的相關內容，系統介紹該部分的規範條款、理論原理、軟體套用和工程實踐，試圖在規範和工具（有限元軟體）之間架起一座橋樑。新版ASME Ⅷ 2全面引入數值分析方法（主要是有限元法），其大部分分析設計需要藉助有限元分析軟體來實現，本書中採用了ANSYS 軟體的新一代仿真平台Workbench來完成各個實例的分析。本書對ANSYS Workbench平台的軟體操作不做詳細介紹，請讀者參考其他專門介紹軟體操作的書籍，但本書會介紹與分析設計密切相關的操作、設定和原理。本書附錄部分介紹了壓力容器分析設計涉及的相關概念和基礎知識，以便讀者更好地理解規範條款的理論背景。
作者在本書的寫作過程中得到了眾多專家學者的支持和關懷。非常感謝黃克智院士的指導和鼓勵，感謝錢才富教授審閱全書並給出了諸多寶貴意見。同時感謝壽比南總工、劉應華教授、塗善東教授、蘇文獻教授、陸明萬教授、惠虎教授、吳雲龍高工、黃志新博士、李建立博士和蔡國華先生給予的指導和支持。感謝惠生集團創新基金的支持。
由於作者水平有限、經驗不足，本書可能存在許多缺陷，懇請讀者示教斧正，不勝感激，聯繫信箱[email protected]，今後若有重要勘誤，將在作者的部落格KennyShen.com上發布。若本書尚能對我國壓力容器分析設計有所幫助，作者甚為欣慰。
近15年來，國際上壓力容器規範發生了巨大的變化。歐盟於1997年頒布承壓設備指令PED，隨後，2002年5月30日頒布與其配套的EN 13445《非燃燒壓力容器》建造規範，提出了很多新理念和新觀點，這對ASME壓力容器規範來說，無疑形成了挑戰。
為此，ASME提出要實現“Ⅷ2規範現代化”,重新改寫原ASME Ⅷ 2，以抗衡EN 13445，並保持在壓力容器設計規範方面的統治地位。這部2007年7月1日頒布的新版ASME Ⅷ 2前後制訂歷時多年，系統總結了近40年來分析設計方法在基本思想和基本理念方面的重大進展，吸收了諸多壓力容器前沿技術，全面引入了數值分析方法和無需應力分類的彈塑性分析方法，其主要特點如下：
以失效模式為主線編制分析設計的規則，考慮了四種失效模式：①整體塑性垮塌失效；②局部失效；③屈曲引起的垮塌失效；④循環載荷引起的失效,包括疲勞和棘輪。
全面引入數值分析方法（主要是有限元分析），對如何將數值分析套用於工程設計制定了一系列應該遵循的原則和步驟。規範所提供的各種設計和評定方法大部分都是以數值分析的結果為基礎的。
彈性應力分析準則中的強度理論由第三強度理論改為第四強度理論。
除了繼續套用彈性應力分析方法外,還對總體塑性垮塌、局部失效、屈曲垮塌和循環失效等4種失效模式全面引入了彈塑性分析方法。無須進行應力分類的分析設計方法是壓力容器設計現代化的熱點。
提出了基於載荷和抗力係數設計（Load and Resistance Factor Design）概念的彈塑性設計程式。
對於局部失效，提出了基於局部應變失效的新設計方法。這種方法無需應力分類。
對於屈曲垮塌，由於採用了數值分析方法，可以計算任意形狀元件的屈曲載荷，包括彈性屈曲分析和彈塑性屈曲分析。
針對焊接接頭疲勞評定，提出了基於當量結構應力範圍的評定方法，該方法對有限元格線不敏感，也是目前世界上最先進的疲勞評定方法之一。
當前，全球壓力容器分析設計規範總體上分為兩大體系，即美國的ASME Ⅷ2和歐盟的EN 13445，其他各國的分析設計規範雖然各有特色，但總的來說沒有脫離這兩部規範的體系。ASME鍋爐壓力容器規範已被100多個國家接受，並作為滿足當地壓力容器法規的技術規範。在國內，美歐分析設計方法的工程套用也越來越受到業界的重視。截至2013年6月16日，我國已有695家廠商取得了1 065張ASME授權證書，以更有利地參與全球市場競爭。但是，就分析設計方法的套用，我國壓力容器分析設計人員面臨著眾多挑戰，主要有以下幾個方面：
（1） 分析設計越來越普遍。相比常規設計（EN 13445稱為公式設計），分析設計也變得越來越“常規”，這個趨勢在最近幾年尤其明顯。EN 13445（2009）附錄B.1（直接法）中也寫道：分析設計為任意元件在任意載荷下的設計提供了規則。其可作為公式設計的替代或補充。附錄C.1（彈性分析和應力分類）中也有類似表述。EN 13445沒有將分析設計與常規設計分為兩部規範，新版ASME Ⅷ2規範也在其第4篇中列入了“規則設計”。可預見，不久的將來，分析設計不再是一項“高級技術”，而只是一種與常規設計可相互替換和補充的設計方法而已，每個設計人員都應掌握。
（2） 設計人員對計算機及程式的套用負責。ASME Ⅷ2前言中寫道：委員會認為設計和分析所用的工具和技術是隨技術進步而進步的，希望工程師在套用這些工具時做出可靠的判斷。規範既不要求，也不禁止使用計算機來對按規範要求建造的元件進行設計或分析。但是，採用電腦程式進行設計或分析的設計人員和工程師應注意：他們要對所採用的程式中固有的一切技術性假設負責，且對設計中這些程式的套用負責。也就是說，規範只給出設計規則，至於用什麼工具和技術由設計人員負責，這對設計人員而言確實是一項挑戰。
（3） 數值分析的精確性和正確性由設計者負責。ASME Ⅷ2中5.1.2.3節寫道：（規範）對應力分析方法、元件建模及分析結果的證實均未提供建議。雖然設計過程中的這些方面是重要的，且在分析中必須加以考慮，但由於這些方法和設計過程的可變性，（規範）未提供這些主題的詳細處理方法。但是，精確的應力分析包括所有結果的證實作為前言
美國ASME壓力容器分析設計設計的一個部分必須提供。再如：ASME Ⅷ2中5.2.3節的極限載荷分析法和5.2.4節的彈塑性分析法把極限（塑性垮塌）載荷定義為數值分析不收斂的那個點，但對非線性分析求解中的收斂準則沒給出任何指導。EN 13445（2009）附錄C.1（彈性分析和應力分類）中也有類似表述：確定應力所採用的方法由製造者負責。
（4） 商業有限元軟體的功能強大而複雜。如：提供豐富的單元和分析類型，各種自動格線劃分功能，應力線性化，應力分類，疲勞的前、後處理，焊縫的建模和評估，最佳化系統，專家系統，知識管理系統，甚至融入了質量管理體系。面對功能如此強大且仍在飛速發展的有限元軟體，要對其熟練掌握，無疑是有一定難度的。
（5） 規範與有限元法及程式的融合。目前分析設計絕大部分採用有限元法完成，但規範對如何運用有限元法來進行壓力容器及其元件的設計和評估並未給出詳細的指導和明示。例如在模型中如何設定邊界條件或確定衰減長度，如何進行螺栓、焊縫、局部載荷、管口、支座、管板等的分析，如何進行後屈曲、總體塑性、安定、蠕變等高級分析，這些都沒有給出詳細指導。如何套用有限元軟體來完成一個符合規範要求的分析成了設計人員必須掌握的技能。相比分析設計規範的制定，似乎套用有限元法來實施符合規範要求的分析更有難度。
（6） 對有限元分析過程和結果的驗證。相比其他的設計方法（如ASME Ⅷ2第4篇中的規則設計），基於有限元法的分析設計面臨的一個主要問題就是對其過程和結果的正確性驗證。分析過程中來自設計者或者軟、硬體的主、客觀不確定因素遠多於解析法或公式法。通俗地講，不同的人採用不同的軟、硬體會得出不同的結果，比如屈曲分析中，由於單元類型或格線劃分的不同，可能出現不同的屈曲模式和屈曲載荷。此類問題如何驗證，規範沒有給出指導，僅在其前言中提到：委員會……制定的規則，不能理解為以任何形式限制製造廠自由選擇任何符合規範規則的設計方法和建造方式。換句話說，有限元分析法的不確定性是不可避免的，其過程和結果是否“符合規範規則”由設計者做出判斷。
所以，對設計者而言，即使理解了規範條款，似乎還遠遠不夠，還應掌握其他一些基本技能，如：了解工程現象及其相關的背景知識，能熟練使用有限元分析軟體，能夠將實際結構抽象為數值模型。簡單地說，就是如何套用有限元軟體來完成符合規範要求的分析和設計。這就要求分析設計人員要對設計規範有充分的認識，理解規範條款的理論基礎和來源，了解有限元理論的知識，熟悉有限前言
美國ASME壓力容器分析設計元軟體的操作、計算原理及其與有限元理論的差異。設計者作為規範和工具間的橋樑，起著至關重要的作用，必須既懂規範又懂工具，否則，再先進的規範、再好的軟、硬體設施也不能得出理想的設計方案，甚至還會帶來安全隱患。
本書將圍繞新版ASME Ⅷ 2第5篇分析設計的相關內容，系統介紹該部分的規範條款、理論原理、軟體套用和工程實踐，試圖在規範和工具（有限元軟體）之間架起一座橋樑。新版ASME Ⅷ 2全面引入數值分析方法（主要是有限元法），其大部分分析設計需要藉助有限元分析軟體來實現，本書中採用了ANSYS 軟體的新一代仿真平台Workbench來完成各個實例的分析。本書對ANSYS Workbench平台的軟體操作不做詳細介紹，請讀者參考其他專門介紹軟體操作的書籍，但本書會介紹與分析設計密切相關的操作、設定和原理。本書附錄部分介紹了壓力容器分析設計涉及的相關概念和基礎知識，以便讀者更好地理解規範條款的理論背景。
作者在本書的寫作過程中得到了眾多專家學者的支持和關懷。非常感謝黃克智院士的指導和鼓勵，感謝錢才富教授審閱全書並給出了諸多寶貴意見。同時感謝壽比南總工、劉應華教授、塗善東教授、蘇文獻教授、陸明萬教授、惠虎教授、吳雲龍高工、黃志新博士、李建立博士和蔡國華先生給予的指導和支持。感謝惠生集團創新基金的支持。
由於作者水平有限、經驗不足，本書可能存在許多缺陷，懇請讀者示教斧正，不勝感激，聯繫信箱[email protected]，今後若有重要勘誤，將在作者的部落格KennyShen.com上發布。若本書尚能對我國壓力容器分析設計有所幫助，作者甚為欣慰。
