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弹性应力评定和强度极限

已有 29 次阅读  2021-05-27 15:07

弹性应力评定和强度极限

 

绝大部分压力容器都采用塑性材料制成,因而在设计中一般都采用第三或第四强度理论,而目前各国大都采用第三强度理论。因此,各国压力容器设计中对各类应力的限制,实际上是采用Tresca屈服准则加以限制,但ASME-22007版及之后版本)分析设计篇采用Mises屈服准则。

弹性应力评定可分为:一次应力强度评定、一次局部薄膜应力强度评定、二次应力强度评定、总应力强度评定。

一次应力强度评定

一次应力是结构承受外载的应力成分,它的应力强度极限值一方面与材料的机械性质、当前的制造水平、检验水平相关的基本安全系数有关,另一方面还与局部塑性变形所导致的应力重分布潜力有关。

一次应力强度是以极限分析原理为依据来确定许用值的。根据设计应力强度和破坏载荷与初屈服载荷(弹性极限载荷)比值的关系进行确定。需要注意的是,一次总体薄膜应力在屈服时没有应力重分布;破坏载荷与初屈服载荷(弹性极限载荷)比值是依据矩形截面直梁的弯曲应力分布情况,屈服以后应力重分布情况引申而来。一次应力的许用值系数视沿厚度非均匀分布情况而定,这是因为初屈服载荷与极限载荷之间有个应力重分布的过程,可进一步发挥低应力区的承载潜力。应力除沿厚度方向重分布外,沿长度方向也可以重新分布,直至形成足够数量的塑性铰,使得结构完全失去承载能力。

一次局部薄膜应力强度评定

一次局部薄膜应力是相对于一次总体薄膜应力而言的,其影响范围仅限于结构局部区域。它原是指两个壳体连接处的边缘效应解中的薄膜成分,但在标准JB4732中规定为局部应力区内薄膜应力的总值。

局部薄膜应力沿壳体的经线方向具有明显的衰减性,因此当距离超过一定的影响范围,边缘效应已衰减到可忽略的程度。若按其性质而言,它具有一次和二次两种性质。标准JB4732中将此处的λ取为1.5仅是一种粗略的估计,而不是通过计算得来的。

当然也有例外,如承受内压锥形过渡段的小端,如图1所示。在小端与圆筒连接部分, 锥体内的压力作用不能被此处柱壳与锥壳中的薄膜应力所平衡,因此产生了附加的局部薄膜应力,这种应力显然是平衡外载荷所必须的,具有一次性质。一般来说,两种壳体若非光滑连接而母线之间有夹角时,其局部薄膜应力必含有一次应力成分。

1 局部薄膜应力的性质

从解析解或有限元计算结果中分解出局部薄膜应力不难做到,而进一步分解出一次应力成分与二次应力成分就比较困难。因此,为方便起见,将具有二次应力性质的成分并入一次局部薄膜应力。因此,在进行一次局部薄膜应力强度评定时,尚须进一步考察局部薄膜应力的性质。

二次应力强度评定

在一次应力能确保结构能安全承受外载以及材料有足够的延性的前提下,二次应力水平的高低对结构的承载能力并无影响。但是当载荷是多次循环、交变的情况下,二次应力可能会导致结构失去安定性,但是丧失安定性的结构并不是立即破坏而是出现塑性疲劳或棘轮现象,进入缓慢的破坏过程。安定载荷仅仅是开始进入缓慢破坏的一个临界值,它与极限载荷不同。安定载荷是二次应力强度评定的基础。

总应力强度评定

总应力强度是根据总应力计算出来的应力强度。总应力是一次应力、二次应力及峰值应力的总和。在静载荷(一次加载)的情况下,峰值应力强度可以不必考虑。但在循环载荷的情况下,总应力强度的许用值,对延性材料可用疲劳曲线( - 曲线)进行控制,允许在峰值应力部位采用有限寿命进行设计。

总应力强度的许用值实际上取决于导出它的应力差的幅值及其循环次数,即由疲劳曲线所得到数值进行评定。

应力分类及应力强度极限

我国压力容器设计规范中,对各类应力的应力强度的限制如下:

   一次总体薄膜应力Pm的应力强度应≤KSm

   一次局部薄膜应力PL的应力强度应≤1.5KSm

   一次总体薄膜应力Pm或一次局部薄膜应力PL与一次弯曲应力Pb之和Pm(PL)+ Pb的应力强度应≤1.5KSm

   一次总体薄膜应力Pm或一次局部薄膜应力PL与一次弯曲应力Pb与二次应力Q之和Pm(PL)+ Pb+Q的应力强度应≤3Sm

   一次薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力及峰值应力之和Pm(PL)+ Pb+Q+F的应力强度不能超过由疲劳曲线所确定的疲劳许用极限。

为简明起见,上述规定可用图解形式表示出来,如表1所示。

1 应力分类及应力强度极限值

应力类型

一次应力

二次应力

峰值应力

总体薄膜

局部薄膜

弯曲

说明(例子见表2-2

沿实体截面的平均一次应力。不包括不连续和应力集中。仅由机械载荷引起。

沿任意实体截面的平均应力。考虑不连续但不包括应力集中。仅由机械载荷引起。

和离实体截面形心的距离成正比的一次应力分量。不包括不连续和应力集中。仅由机械载荷引起。

为满足结构连续所需的自平衡应力。发生在结构的不连续处。可以由机械载荷或热膨胀差引起。不包括局部应力集中。

1.因应力集中(缺口)而加到一次或二次应力上的增量。

2.能引起疲劳但不引起容器形状变化的某些热应力。

符号1)

2)

2)


1)符号 不是只表示一个量,而是表示 一组共六个mm分量。叠加是指每种分量各自分别叠加。

2)属于 类的应力组是指扣除该点处一次应力后,由于热梯度与结构不连续引起的应力;应注意的是,通常,详细的应力分析给出的是一次应力与二次应力之和 (或 + + ,而不单是二次应力 ;同样, 类应力是指由局部应力集中引起的名义应力的增量部分;例如,一块板中有名义应力 ,连接处具有应力集中系数 ,那么 = = =0 = -1),则峰值应力强度由 算得。

3)此处所限制的应是一次加二次应力强度的范围,而3 值应取正常工作循环时(周期性运行期间)最高与最低温度下材料 的平均值的3倍。在确定一次加二次应力范围时,应考虑各种不同来源的工作循环的重叠,因而总的应力强度范围可能超出任一单独的循环的范围。由于在每一特定的工作循环或循环组合中对应的温度范围可能是不相同的,因而相应的 值也可以是不相同的,所以对这些工作循环或循环组合下限定不允许超出的3 值应当小心地确定。

5 可从JB4732的附录C的疲劳曲线得到,对于全幅度的脉动循环,允许的峰值应力强度值(指应力强度范围)应为2

应当特别注意的是:上述有关各类应力的符号如 等都不是一个量,不能将它们与有关的应力强度混淆起来。若要计算某一类应力的应力强度,必须先算出这一类应力的各个应力分量(同一点的正应力与剪应力),然后分别求出三个主应力 ,最后根据第三强度理论的应力强度公式算得其应力强度 ,才能根据上述规定与许用应力进行比较,即进行强度计算。

以上,我们对弹性应力评定和强度极限进行了介绍。下一篇,我们将对应力强度极限的依据和应力分类遇到的问题等方面进行讲解和介绍。


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