压力容器分析设计方法与工程应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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沈鋆，刘应华 著

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• 压力容器
• 分析
• 设计
• 工程应用
• 有限元
• 强度计算
• 安全评估
• 材料力学
• 焊接
• 规范标准

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302456131

版次：1

商品编码：12113606

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-12-01

用纸：胶版纸

内容简介

　　　　近年来美欧相继颁布了新一代的压力容器分析设计规范，提出了很多新的设计理念，吸收了诸多压力容器前沿技术。与此同时，国内分析设计规范也修订在即。本书结合当前国内外分析设计的技术进步和工程实践，对压力容器分析设计相关的力学基础、应力分析、强度设计、规范条款、工具软件、工程实例和技术进展等进行了详细的阐述；对美欧规范中的分析设计方法均有涉及，既讲区别也讲联系；以失效模式为主线并结合工程实例对极限分析、安定分析、屈曲分析、疲劳分析及蠕变疲劳等评定方法进行了探讨。 　　本书适合自学分析设计的技术人员，也可供资深工程师参考。同时，可作为分析设计考证人员的辅导资料或技术培训和继续教育用教材。

内页插图

目录

第一篇概述篇
第1章绪论
1.1国际压力容器规范的进步
1.1.1欧盟EN13445
1.1.2美国ASME Ⅷ��2
1.2国内规范修订方向
1.3计算机辅助工程的发展
1.4分析设计发展趋势

第2章分析设计方法概要
2.1分析设计的基本概念
2.1.1应力强度
2.1.2总体结构不连续
2.1.3局部结构不连续
2.1.4法向应力
2.1.5切应力
2.1.6薄膜应力
2.1.7弯曲应力
2.1.8热应力
2.1.9运行循环
2.1.10应变循环
2.1.11疲劳强度减弱系数
2.1.12自由端位移
2.1.13蠕变
2.1.14塑性
2.1.15塑性分析
2.1.16棘轮效应
2.1.17安定性
2.1.18应力�灿Ρ淝�线
2.2压力容器的失效模式
2.3分析设计考虑的失效模式
2.4弹性分析与应力分类法概要
2.4.1一次应力
2.4.2一次总体薄膜应力
2.4.3一次局部薄膜应力
2.4.4一次弯曲应力
2.4.5二次应力
2.4.6峰值应力
2.4.7总应力
2.4.8应力分类
2.4.9应力评定
2.4.10应力分类及应力强度极限值
2.4.11应力强度极限值的依据
2.4.12应力分类遇到的问题
2.5弹�菜苄苑治錾杓品ǜ攀�
2.6小结
第二篇理论篇
第3章梁的弯曲
3.1纯弯曲
3.1.1横截面上的应力
3.1.2纯弯曲和横力弯曲的概念
3.2弯曲正应力
3.2.1几何方面
3.2.2物理方面
3.2.3静力学关系
3.2.4轴惯性矩
3.3强度条件
3.4纯弯矩作用下单位宽度矩形截面梁
3.5拉伸和弯矩同时作用下矩形截面梁
3.6截面形状系数
3.7小结

第4章弹性力学基础
4.1弹性力学基本假设
4.1.1连续性假设
4.1.2完全弹性假设
4.1.3均匀性假设
4.1.4各向同性假设
4.1.5小位移和小变形的假设
4.1.6引入基本假设后的变化
4.2弹性力学基本概念
4.2.1外力
4.2.2内力与应力
4.2.3一点的应力状态
4.2.4形变
4.2.5位移
4.2.6小结
4.3弹性力学基本方程
4.3.1平衡微分方程
4.3.2几何方程
4.3.3物理方程
4.4边界条件
4.4.1给定位移的边界
4.4.2给定力的边界
4.4.3混合边界条件
4.5结构的对称性
4.6弹性力学的一般定理
4.6.1解的唯一性定理
4.6.2解的叠加定理
4.6.3虚位移原理
4.6.4最小势能原理
4.6.5外力功的互等定理
4.6.6圣维南原理
4.7热应力
4.7.1计算热应力的必要参数
4.7.2热应力的特点
4.7.3热应力实例
4.8讨论
4.9小结

第5章塑性力学基础
5.1概述
5.2塑性力学基本假设
5.3变形路径对塑性变形和极限载荷的影响
5.4屈服条件
5.4.1屈服条件的概念
5.4.2特雷斯卡屈服条件
5.4.3米泽斯屈服条件
5.4.4两种屈服条件的优缺点
5.5强化模型与加载条件
5.6小结

第6章有限元法基础
6.1基本方程的矩阵表示
6.2基本原理
6.3单元的位移模式和解的收敛性
6.4单元的应变矩阵和应力矩阵
6.5单元介绍
6.5.1三维实体单元
6.5.2轴对称单元
6.5.3薄壳单元
6.5.4划分单元注意事项
6.6小结
第三篇规范篇
第7章塑性垮塌的评定
7.1弹性应力分析方法
7.1.1弹性应力分析步骤
7.1.2应力线性化
7.1.3应力分类的指导原则
7.1.4载荷组合系数
7.1.5接管应力评定
7.2非弹性分析方法
7.2.1极限载荷设计的概念
7.2.2ASME极限载荷分析法
7.2.3ASME弹�菜苄杂αΨ治龇�
7.2.4JB 4732中的非弹性分析
7.3小结

第8章局部失效的评定
8.1弹性分析法
8.2弹�菜苄苑治龇�
8.2.1评定步骤
8.2.2累积损伤
8.3小结

第9章屈曲的评定
9.1屈曲的定义
9.2屈曲评定的三种方法
9.3设计系数
9.4小结

第10章疲劳
10.1疲劳分析免除
10.1.1疲劳分析免除准则
10.1.2疲劳分析免除的原理
10.2疲劳曲线
10.3三种疲劳评定方法简介
10.3.1弹性疲劳分析法
10.3.2弹�菜苄云＠头治龇�
10.3.3等效结构应力法
10.4小结

第11章棘轮的评定
11.1安定与棘轮的概念
11.2弹性分析法
11.2.1弹性安定的原理
11.2.2弹性分析法的评定
11.2.3简化的弹�菜苄苑治龇�
11.2.4热应力棘轮评定
11.3热应力棘轮评定方法修订的解读
11.3.1ASME Ⅷ��2（2013版）中的修订
11.3.2原评定方法的制定依据
11.3.3布里法的不足
11.3.4考虑热薄膜和弯曲应力的棘轮边界
11.3.5ASME Ⅷ��2（2013版）修订时的考虑
11.3.6修订要点小结
11.4弹�菜苄苑治龇�
11.4.1弹�菜苄苑治龇ǖ钠蓝�
11.4.2弹性核
11.5评定方法的回顾
11.5.1弹性方法
11.5.2弹塑性方法
11.6小结

第12章蠕变疲劳的评定
12.1蠕变疲劳的概念
12.1.1蠕变
12.1.2疲劳
12.1.3蠕变疲劳
12.1.4韧性
12.1.5安定性
12.2蠕变疲劳设计的理论基础
12.2.1蠕变疲劳的试验方法
12.2.2常用的蠕变疲劳设计方法
12.3核电行业中的蠕变疲劳工程设计方法
12.3.1ASME Ⅲ�睳H
12.3.2R5规程
12.3.3RCC�睲R
12.4化工行业中的蠕变疲劳工程设计方法
12.4.1API 579
12.4.2ASME规范案例2605
12.5小结
第四篇实例篇
第13章基于子模型技术的斜接管应力分析实例
13.1设计条件
13.2几何模型
13.3网格划分
13.4加载求解
13.5子模型技术
13.5.1创建子模型
13.5.2修改几何模型
13.5.3重新划分网格
13.5.4重新设置边界条件
13.5.5求解并查看结果
13.6小结

第14章球罐分析实例
14.1GB 12337—2014要点简介
14.2载荷分析
14.3载荷工况组合
14.4边界条件
14.4.1压力载荷
14.4.2自重载荷
14.4.3风载荷
14.4.4地震载荷
14.4.5位移边界
14.5应力评定
14.6丙烯球罐的整体分析
14.6.1设计条件
14.6.2几何模型
14.6.3网格划分
14.6.4载荷条件
14.6.5求解计算
14.6.6应力评定
14.7小结

第15章疲劳设备分析实例
15.1概述
15.2设计条件
15.3结构分析
15.4应力计算结果
15.5应力强度评定
15.6最大应力点疲劳评定
15.7结论
15.8小结

第16章高压容器局部结构分析实例
16.1简介
16.2设计条件
16.3结构分析
16.4应力分析计算
16.4.1筒体与接管的模型
16.4.2顶部平盖模型
16.5应力强度评定
16.6结论
16.7小结

第17章塔器风载荷时程分析实例
17.1塔器的受载特点
17.2自振特性
17.2.1概念介绍
17.2.2乙烯塔固有频率和振型计算
17.3风载荷时程分析
17.3.1风的特性与简化
17.3.2脉动风荷载时程
17.3.3顺风向的风振响应分析
17.4小结

第18章裙座热应力分析实例
18.1裙座热应力概述
18.2裙座热应力分析
18.2.1设计条件及结构参数
18.2.2温度场分析
18.2.3热应力和机械应力分析
18.3小结

第19章高压换热器强度分析实例
19.1设计条件及结构参数
19.2换热器有限元模型
19.2.1几何模型
19.2.2网格划分
19.2.3边界条件
19.2.4求解
19.3小结
第20章设备抗震分析实例
20.1抗震分析的相关概念
20.1.1振子模型
20.1.2反应谱
20.1.3标准反应谱
20.1.4楼层反应谱的生成
20.2抗震分析四种理论
20.2.1静力理论
20.2.2动力理论
20.2.3反应谱理论
20.2.4时间历程响应
20.3模型的选取
20.4解耦条件
20.5载荷组合
20.6折减系数
20.7许用限值
20.8大型气化炉地震响应的时程分析
20.8.1设计条件
20.8.2几何模型
20.8.3边界条件
20.8.4求解
20.8.5结论
20.9小结

第21章储罐罐顶的屈曲分析实例
21.1罐顶失稳原因
21.1.1罐顶外载荷的分析
21.1.2施工原因
21.2球面网壳形式
21.3有限元分析的依据
21.3.1有限元分析一般要求
21.3.2网壳的稳定性分析
21.4带施工缺陷的罐顶屈曲分析
21.4.1设计条件
21.4.2分析要求简析
21.4.3几何模型
21.4.4载荷条件
21.4.5模型计算假定
21.4.6线性屈曲分析与初始缺陷施加
21.4.7非线性分析
21.5小结

第22章基于弹性核准则的棘轮评定实例
22.1几何尺寸
22.2模型和分析方法
22.3边界条件
22.4分析结果
22.5小结

第23章ASME Code Case 2605蠕变疲劳分析实例
23.1设计条件
23.2最大一次静载下的强度校核
23.3蠕变疲劳的安定性校核
23.4稳态蠕变寿命计算
23.5蠕变疲劳寿命计算
23.6小结
第五篇软件篇
第24章ANSYS Workbench平台
24.1添加材料
24.2几何建模
24.3接触类型
24.4网格划分
24.5分析设置
24.5.1Step Controls
24.5.2Solver Controls
24.5.3Anglysis Data Management
24.6载荷与约束
24.7模型求解
24.8后处理
24.8.1结果查看
24.8.2应力精度的原理
24.8.3各种应力结果的含义
24.9小结

参考文献

前言/序言

　　前言 　　压力容器规范的发展史，是一部技术进步史。压力容器分析设计最早源自美国机械工程师协会的ASMEⅢ《核设施元件建造规则》，该协会于1968年发布ASMEⅧ��2《压力容器另一建造规则》。此后30年，各国纷纷参照ASMEⅧ��2制定本国的分析设计规范。2002年之后压力容器分析设计方法与20世纪60年代相比变化较大。 　　我国石化行业最早于1971年开始应用分析设计规则，对容器的封头、开孔和开孔补强以及换热器管板等受压部件，进行了大量的分析计算工作。在JB 4732制定之前也曾多次应用应力分析法校核引进工程中的某些重要容器（如加氢反应器等），为制定以应力分析为基础的压力容器标准奠定了基础。 　　1995年，我国颁布了分析设计规范JB 4732��95，真正开始较大规模地实施分析设计是在2000年之后。然而之后的短短几年，欧美分别在2002年和2007年相继颁布了自己的新一代分析设计规范。这两部规范提出了很多新的设计理念，吸收了诸多压力容器前沿技术，特别值得关注的是全面引入了弹�菜苄苑治龊褪�值计算方法。目前，国内分析设计规范修订工作也已提上议事日程。修订后的分析设计规范将由JB（简称“机标”，即原国家机械工业部标准）改为GB（简称“国标”，即国家标准），设计理念和设计方法，包括其规范名称和结构都将发生重大的改变。 　　分析设计（Design by Analysis）是ASMEⅧ��2《压力容器另一建造规则》中的一章（第5章），其与第4章规则设计（Design by Rules）是并列的，指基于数值计算（主要是有限元法）和详细应力分析的一种设计方法，本书所说的分析设计也指此意，即不包括制造、检验等内容。 　　当前我们处在一个特殊时期：既要熟练地按国内规范进行国内工程的设计，同时随着国内工程公司近年来国际化的步伐不断推进，设计人员还要了解并运用国际规范来满足海外业主的工程要求。了解并学习欧美规范，这既能满足外资项目或对外投资项目的需求，也能为今后国内规范的修订做好准备工作并提供有益参考。 　　同时，分析设计的工程应用和市场需求越来越广泛，学习分析设计的工程师也越来越多。在这样一个承前启后的过渡阶段，正好可以在总结国内过去10多年的使用经验的基础上，立足近年来国际上的技术进步，对分析设计做一个阶段性的回顾，期望达成如下几个目标： 　　（1） 理解规范条款的原理。分析设计规范的条款都是对设计方法和规则最直截了当、言简意赅的表述，这对设计人员而言，太宽泛、太笼统以致不能深刻理解。看起来都简单明了的规范条款，实际实施起来却困难重重，对初学者来说，更是感觉无从下手。本书期望为规范条款的理解和实施提供具体的指导、解析规范的来龙去脉、帮助技术人员较深刻地理解并运用好规范。 　　（2） 了解国际上的技术进步。分析设计涉及的内容相对较广，很多知识分布在各种外文资料和文献中。近几年国际上压力容器分析设计技术发生了巨大的变化，而这些成果大多发表在外文期刊上，参阅起来并不是很方便。这给国内技术人员的自学和技能提升带来了困难。本书试图把国外压力容器分析设计的相关知识和技能进行系统的整理，给技术人员的日常设计工作提供便利的参考。 　　（3） 掌握弹�菜苄苑治龅幕�本原理和实施步骤。近年来，软、硬件的发展从未停息，云计算等新技术的逐渐普及，也推动了弹�菜苄苑治龅墓惴河τ谩Ｃ琅沸乱淮�规范的亮点之一就是弹�菜苄苑治觯�这也是国内规范修订的必由之路。这对设计人员而言，当前既是机遇，也是挑战。弹�菜苄苑治鱿啾鹊�性分析更为复杂，例如弹�菜苄苑治龅贸龅慕峁�难以用解析解去验证或判断其趋势。本书试图对弹�菜苄苑治鱿喙氐脑�理和步骤加以介绍，这有助于国内技术人员对其原理加深理解，以便今后在设计工作中更好地运用该方法。 　　（4） 了解蠕变疲劳分析的基本原理和实施步骤。随着过程工艺的不断进步，高温设备及高温加疲劳的设备不断涌现。目前高温蠕变的设备通常由境外公司设计并制造。国内的几个知名工程公司及高校已经开展了相关的研究和试设计。今后国内分析设计规范修订时或许会引入相关的内容。高温蠕变是今后的设计中必须要面对和解决的问题，本书试图对其做一个初步性的介绍，希望起到一个抛砖引玉的作用。 　　（5） 了解有限元软件的原理和设置。有限元技术和弹|塑性分析越来越普遍，这是一个趋势。但是众多弹|塑性有限元分析技术的使用者却并不了解有限元软件中所包含的经典塑性理论的各种原理、假设和近似。比如：什么情况下软件会考虑鲍辛格效应和迟滞现象？初始屈服和后继屈服的数学模型在软件中做了各种近似，这些近似在哪些情况下是成立的，在哪些情况下是不成立的？不同的材料模型对压缩时的屈服做了何种假设等？再比如，很少有人留意屈服应力本身也是基于一定假设的：它来自单向拉伸试验，却用作多向屈服准则的参照值。上述这些隐藏在规范和软件背后的原理和假设是分析设计人员需要了解的。本书也会对这部分内容进行探讨和介绍，以便在实际的软件操作过程中针对不同的工程问题选择正确的计算模型和参数设置。 　　（6） 熟悉典型的工程案例。学习分析设计的最终目的是进行工程应用。本书收集工程实践中的数个典型实例，除了给出日常设计经常碰到的接管分析、疲劳分析等，还给出了一些如高温蠕变等比较前沿的分析实例。本书大部分例子是基于ANSYS Workbench软件完成的，书中讨论了最新版有限元软件的工程应用，给出了一些实际工程问题的解决方案，适合一线工程技术人员学习和参考。 　　本书内容丰富，共分为五篇24章： 　　第一篇为概述篇。介绍了当前国际上（主要是美欧）压力容器分析设计的技术进步，同时也介绍了数值计算（主要是有限元）软件的发展情况。在此基础上，讨论了国内分析设计的现状及今后的发展方向。 　　第二篇为理论篇。压力容器分析设计是以材料力学、弹性力学、塑性力学及断裂力学等多门力学为理论基础的。这些力学问题求解所用的数值方法主要是有限元法。本篇介绍弹性力学、塑性力学和有限元等与工程设计息息相关的理论基础知识。这些知识是分析设计的基础和前提，但工程技术人员大多并非力学专业出身，我们的目标是掌握最基本和最核心的内容，以便在有限元模型的建立和分析过程中作出正确的判断。同时，这些理论知识也是正确使用有限元软件的必要前提，有限元软件界面操作很容易，要正确使用的话必须了解其背后的理论和技术背景。 　　第三篇为规范篇。本篇以失效模式为主线，介绍了塑性垮塌、局部失效、屈曲、疲劳和棘轮这几种失效模式对应的评定方法，包括弹性应力分析法和弹�菜苄杂αΨ治龇āＵ庑┠谌菀彩墙�年来美欧规范修订的重点内容，也是今后JB 4732的重点升级或修订内容。值得一提的是，这些名称均是直接翻译而来，在JB 4732修订时，如有必要，应对其制定更合适的命名。 　　第四篇为实例篇。工程设计中需要设计的元件和设备的结构多年来没有大的变化，变化的是运用新的规范和软件技术来提高设计水平。本书在介绍典型实例的同时，力求介绍更多的新内容和新技能。比如，运用子模型技术对斜接管进行分析，虽然子模型技术对斜接管分析不是必需的，但通过这个实例掌握的基于Workbench的子模型技术可以运用于其他场合。基于ASME CODE CASE 2605的蠕变疲劳分析，这些都是比较新颖的内容，希望能给读者一个有益的参考。 　　第五篇为软件篇。本篇主要介绍了ANSYS Workbench软件。ANSYS Workbench在日常工程设计中已经应用很多，在介绍时以介绍使用技巧和注意事项为主。 　　本书可作为规范的一个补充或参考，应该结合规范一起阅读。读者应该具备一定的压力容器设计相关的经验和知识（但是否从事过分析设计不是必需的），分析设计的初学者和资深工程师都可以参阅本书。对于初学者可先学习本书中力学基础和软件应用的相关章节，必要时可以参阅其他专门阐述该类主题的专著。对于资深工程师可更多地关注规范的原理和假设、部件受力分析及工程案例复验等，进而提出改进方案和方法。 　　本书得以完成得益于作者多年的工程实践与科研经历，还有多家单位和多位专家同仁的大力支持。特别感谢国家杰出青年科学基金、惠生工程（中国）有限公司和清华大学的支持。感谢清华大学航天航空学院陆明万教授的支持和指导。本书审稿专家吴云龙高工知识渊博、工程经验丰富，从工程实践的角度提出了很多宝贵意见，使得本书在内容和逻辑上更加严谨。高温结构完整性领域专家、美国ASME压力容器技术杂志副主编、英国Strathclyde大学陈浩峰教授为作者提供了很多有价值的资料和指导。唐艳芳、清华彭恒硕士、章骁程（高温部分）三位同仁参与了部分章节的编写工作，丰富了本书的内容。浙大李涛博士、黄志新博士、程香高工、清华代岩伟博士、蔡国华高工、万里平对本书提出了很多有益的建议。惠生工程公司的刘海军总裁、陈惠梅高级副总裁、章晨晖教授级高工、李延生教授级高工、刘敬源高工和林亚森高工对我们开展的分析设计工作给予了大力支持。正是在大家的支持和鼓励下，本书才得以顺利出版，在此表示衷心感谢。同时还感谢清华大学出版社陈朝晖老师对本书出版给予的热情指导。感谢朱明思完成了大量的文字整理和校对工作。本书还借鉴了国内外专家学者及工程技术人员的研究成果和工程经验，在此向相关的作者和出版单位表示感谢。 　　技术是在不断进步的，但书籍出版后一般都无法像维基百科或百度百科那样随时进行线上更新和补充，读者之间的奇思妙想和建议、创意也无法实时交流。互联网时代，这些都不是问题，早在《ASME压力容器分析设计》一书出版时，就已经为读者及对分析设计感兴趣的同仁建立了一个技术交流社区（www.shebeiQ.com），供大家在线讨论，也欢迎关注微信公众号shebeiQ以获得与本书相关的勘误和技术交流信息。由于编者水平有限，错误在所难免，恳请读者批评指正。　　沈鋆刘应华 　　于北京清华园 　　2015年12月

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作为一本17年印刷出版的书，引用的材料标准竟然都是旧的

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