压力容器设计另一方法.docx

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：  HYPERLINK /blog/ \l m=0t=1c=fks_084067083085089068092087084095085080087070086094080065092 \o 分析设计 分析设计 |??标签： HYPERLINK /blog/ \l m=0t=3c=先进设计方法 先进设计方法?? HYPERLINK /blog/ \l m=0t=3c=分析设计 分析设计 ? 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