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压力容器分析设计技术博客

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日志

 
 

压力容器设计另一方法-载荷和阻力系数设计法  

2011-12-28 16:54:44|  分类: 分析设计 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1.背景

多年来,压力容器设计一直沿用ASD法,如ASME Ⅷ-1、ASME Ⅷ-2 2004版和之前的版本,以及GB150[1]、JB4732[2]。ASD法主要设计理念是:为材料强度取一个总安全系数(Global Safety Factor),以此为设计中的不确定因素提供必要的安全裕度。

在各类结构设计中,除了ASD法,还有另一种方法,即LRFD法。该法在钢结构和公路桥梁等领域已广泛应用多年[3-5]。2007年,ASME Ⅷ-2[6]也引入了LRFD法,规范5.2节明确提及: LRFD法是对塑性垮塌载荷严密计算的另一选择。该法主要设计理念是:不同的载荷和阻力(强度)采用不同的分安全系数(Partial Safety Factor)。

 

2.强度变量(Strength Variables)

在LRFD法中,强度(阻力)变量,包括屈服极限和强度极限,都看作是随机变量。

 

3. 载荷变量(Load Variables)

载荷变量包括永久载荷、内压、地震载荷、风载荷,其中永久载荷包括容器自重、保温重量、介质重量等。所有的载荷都将被当作随机变量来考虑。

 

4.结构可靠度理论

结构可靠度是指在规定的时间和条件下,工程结构完成预定功能的概率。

载荷是引起结构失效的外在原因,阻力是抵抗结构失效的能力。因此,载荷和阻力之间的关系,是决定结构是否失效的重要因素之一。载荷和阻力的随机性决定了结构失效的随机性。

 

5.载荷系数和阻力的取值

LRFD法是建立在结构可靠度理论上的。其原理包含如下四点:

㈠将结构的阻力作为随机变量或随机过程来处理;

㈡将作用在结构上的各种载荷作为随机变量或随机过程来处理,并考虑其同时出现的概率;

㈢基于应力-强度干涉理论对结构的失效概率进行评定

㈣基于结构可靠度理论

ASCE 7-05[8]是建筑和结构领域载荷计算的基础,给出了建筑和结构的最小载荷要求,也给出各种载荷组合及相应的系数。ASMEⅧ-2[6]按一定的可靠性指标(Reliability Index),开发出了与压力容器设计相适应的载荷系数。值得注意的是,在极限载荷法和弹-塑性法中,材料强度对应的阻力系数已被组合进载荷系数中了[8],即阻力系数等于1.0。

按极限载荷法进行分析时,材料的屈服极限取为1.5倍的许用应力。按弹-塑性方法进行分析时,材料的性能按其本构关系取值。

 

6.LRFD法和ASD法对比

    LRFD法和ASD法在理念上有两个主要区别。

6.1 强度判别方式

    ASD法将结构中的真实应力与许用应力进行比较,是基于应力(Stress Based)的设计方法,而LRFD法是将结构所要求的强度与真实强度进行比较,是基于强度(Strength Based)的设计方法。ASD法进行结构强度设计时,总是希望把结构的最终应力控制在材料的屈服极限以下,防止结构出现永久性的塑性变形。当采用LRFD法时,将各类载荷乘以一个大于1.0的载荷系数(Load Factor)后,与结构的最终强度(Ultimate Strength)进行比较,如果前者小于后者,则结构是安全的。其中,最终强度指名义强度(Nominal Strength)乘以阻力系数(Resistance Factor)。

6.2对不确定因素的考虑

    ASD法采用一个总的安全系数来考虑设计中所有不确定因素,显得过于“粗糙”,对不同的不确定因素不能给予单独考虑,导致的结果之一就是安全裕度过剩,材料浪费。

LRFD法则对各个具有随机性的设计变量赋予了不同的分安全系数,即通过在极限状态不等式右边使用载荷系数,实现了对各类载荷随机性的单独考虑,左边使用阻力系数,实现了对阻力随机性的考虑。

    压力容器的两个根本问题是安全可靠性和经济性, 可靠性评定则直接关联着安全和经济两个方面[10]。LRFD法基于可靠度理论的设计理念可获得更合理的安全裕度,在保证了安全性的同时,实现了结构的轻量化。

 

7.讨论与展望

基于可靠度理论的压力容器设计是一个较新的领域,国内很多专家学者也做大量的实践和研究[10-18]。该设计方法需要知道各设计变量的分布特征,因而需要足够多的设计数据,在此基础上才能找出载荷和阻力系数与可靠度之间的关系,过去一直没有统一的标准规范可循。ASMEⅧ-2[6]引入LRFD法,并给出了各种载荷组合对应的载荷系数,为基于可靠度理论的压力容器设计方法提供了实施依据和操作细则。

ASD法始于上世纪20年代,目前仍被广泛应用,是目前的主流方法。LRFD法是一种更具创新性的新方法,也是ASME规范[6]抗衡EN13445[19]的五项前沿技术之一[20]。任何工业领域的持续发展都需要不断的创新,在压力容器设计领域引入LRFD法无疑是压力容器设计的重大进展之一,为确保压力容器的安全可靠性和经济性提供了另一重要途径,相信不久的将来,LRFD法很可能会超越或替代ASD法。

 

 参考文献

[1]GB150-1998, 钢制压力容器[S].中国:中国标准出版社,2007

[2]JB4732-1995,钢制压力容器—分析设计标准(2005确认) [S].中国:新华出版社,2007.

[3] Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings [s]. American Institute of Steel Construction, INC, 1999

[4]刘玉姝,美国LRFD钢结果规范介绍(V)[J] 建筑钢结构进展,2002,4(2):51-57

[5]刘建,美国AASHTOLRFD公路桥梁设计规范历史和现状[J] 公路交通科技(应用技术版),2010,70(11):406-409

[6]2007 ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Ⅷ Division 2, Alternative Rules, Rules for Construction of Pressure Vessels [ S]. July 1, 2007

[7]Avrithi,K., “Reliability-Based Design of Piping: Internal Pressure, Gravity, Earthquake, and Thermal Expansion,” Ph.D. thesis, University of Maryland, College Park, MD; 2007

[8]Minimum Design Loads for buildings and other Structures[s] American Society of Civil Engineers,2006

[9]秦叔经,压力容器标准和规范中分析设计方法的进展 [J]. 化工设备与管道,2011,(1): P1-8

[10]刘应平,压力容器的可靠性分析[J].工业安全与防尘,2000,(1):25-29

[11]林玉娟,冯永利,薄壁压力容器的可靠性分析[J] 科学技术与工程,2007,22(7):5966-5968

[12]刘玉彬,工程结构可靠度理论的研究现状与展望[J].大连民族学学报,2006,34(5):1-3

[13]刘玉彬,工程结构可靠度理论研究综述[J]吉林建筑工程学院学报,2002,19(2):41-43

[14] 王艳,基于可靠性理论的压力容器设计方法及其应用研究[J].科技信息,2010,35:500

[15] 徐莹,结构可靠度理论的研究现状及展望[J].山西建筑,2005,31(10):25-27

[16] 赵亚凡, 宋明大,可靠性方法在压力容器设计中的应用及探讨[J].化工设计,2002,12(5):24-25

[17] 赵亚凡,可靠性方法在压力容器设计中的应用及探讨[J] 机械设计与制造,2002,4:5-6

[18]王勤,匡立中,压力容器可靠性分析技术述评[J] 科技创新导报,2008,7:150

[19] EN 13445: 2002 (E) Unfired Pressure Vessels, Part 3: Design [S]. May, 2002.

[20]陈登丰,ASME和锅炉压力容器标准的全球化[J/OL] http://www.caci.org.cn/;2007

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