基于阶梯状应力分布形式与下限极限载荷理论的压力容器分析设计方法研究

To ensure the functionality and safety of pressure vessels such as reactor vessels in nuclear powerplant and chemical industry. Stress classification is the most popular method for pressure vessel design, however, there are some problems with the application of this method such as classifying the stress into primary and secondary, physical measing of the peak stresses as well as the deviation of the design results and structural failure mode. This proposal aims to propose a new design by analysis method based on the Step-like Stress Distribution along stress classification line (SCL)and Lower Bound Limit Load Theory, avoiding the stress classification procedure. The 3D stress state is analyzed by elastic FE analysis, and then transformed into the step-like stress distribution format. This project will investigate how to solve the lower bound limit load for each SCL, and establish the design procedure for the whole vessel. The effectiveness of the new method will be tested by comparing with other pressure vessel design method and experiments. It has the significance in the development pressure vessel design theory and methods.

为确保各类承压容器如核反应堆压力壳、化工反应等装置在各种复杂载荷下的功能和安全，必须重视压力容器的设计。基于弹性壳体分析的应力分类法是压力容器分析设计的主流方法，应力分类法在使用过程中还存在一次应力和二次应力的分类、峰值应力特性理解、设计结果与结构失效状态偏离等方面的问题。本项目提出一种基于阶梯状应力分布形式与下限极限载荷理论的分析设计方法避开应力分类这个过程。采用弹性有限元方法分析材料三维应力状态，把各应力分量转化为阶梯状应力分布形式，结合下限极限载荷理论，研究求解应力分类线上下限极限载荷的方法，最终建立整个容器的分析设计校核体系。通过与现有国际流行设计方法和实验对比分析，实例验证新的方法的有效性。新的设计方法体系在完善压力容器设计理论和方法上具有重要意义。

压力容器是生产过程中必不可少的核心设备。确保各类承压容器如核反应堆压力壳、化工反应等装置在各种复杂载荷下的功能和安全，必须重视压力容器的设计。基于弹性壳体分析的应力分类法是压力容器分析设计的主流方法，但是在应用中还存在一些问题，从有限元分析计算的总应力场中提取一次应力、二次应力和峰值应力还存在很多困难。本项目研究内容：①提出一种基于阶梯状应力分布和下限极限载荷理论的分析设计方法研究；②实例验证新的弹性下限极限法的有效性。新方法采用阶梯状应力分布形式，也就是当梁承受拉、弯载荷达到完全塑性时的应力状态，按力等效原则和力矩等效原则求解阶梯状应力分布参数，然后计算应力分类线上极限载荷，并确定整个容器许用载荷。新方法有效地解决了在结构一次加载情况下进行塑性垮塌校核时，在某些总体结构不连续区域，这些区域同时存在一次应力和二次应力但难以区分的困难，同样在总体结构不连续区域建立应力校核线进行评估但无需进行应力分类工作，评估步骤就简单明了，不存在技术难点，通过与极限载荷法和弹塑性应力分析法计算结果对比证明，新方法在应力分类困难的应力评估区域的计算结果也更加趋于理想，在应力分类较为明确的远离总体结构不连续区域，新方法与规范中的应力分类法计算结果较为一致。新的设计方法易于使用，设计过程明确、清晰，在完善压力容器设计理论和方法上具有重要意义。