承压设备安定性分析与设计

目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 结构安定性及其基本概念 1 1.2 结构安定性分析和基础理论的发展历程 3 1.2.1 结构安定性分析的经典简化方法发展历程 4 1.2.2 受损结构的安定性分析理论和方法研究进展 7 1.2.3 高温设备的安定性分析方法研究进展 10 1.2.4 考虑应变硬化的安定性分析方法研究进展 13 1.2.5 材料棘轮与结构棘轮的区别与联系 15 1.3 本书内容安排 17 第2章 结构安定及棘轮极限载荷分析的通用方法 18 2.1 承压设备的安定极限载荷分析方法 18 2.1.1 逐次循环法 18 2.1.2 弹性补偿法 18 2.1.3 非线性叠加法 20 2.1.4 几种分析方法的对比 23 2.2 承压设备棘轮极限载荷的分析方法 25 2.2.1 线性匹配法 25 2.2.2 屈服应力或弹性模量修正法 26 2.2.3 非循环叠加法 28 2.2.4 虚拟屈服面法 30 2.2.5 混合剩余强度法 31 2.3 结构安定极限载荷的测量试验 31 2.3.1 载荷-位移特征点法 32 2.3.2 应变率-载荷拟合法 32 2.3.3 应变增量-循环数对数斜率法 33 2.4 Bree图的构建原理与应用 33 2.4.1 基本Bree图(不考虑蠕变) 33 2.4.2 基本Bree图(考虑蠕变) 44 2.4.3 基于Bree图的热薄膜应力评价修正 46 2.5 本章小结 49 第3章 复杂载荷条件下承压设备的安定性分析 50 3.1 承压设备的自增强与安定极限载荷分析 50 3.1.1 承压圆筒的自增强与安定极限载荷分析 50 3.1.2 承压球壳的自增强与安定极限载荷分析 67 3.2 双轴应力条件下圆筒的安定性分析 81 3.2.1 热-机械载荷下承压圆筒自增强与安定性分析 81 3.2.2 拉-弯-扭复合载荷下承压圆筒的安定性分析 92 3.3 承压壳体开孔部位的安定性分析 116 3.3.1 循环内压下球形封头开孔接管的安定性分析方法 116 3.3.2 循环热-机械载荷下开孔圆筒的安定性分析 121 3.3.3 循环热-机械载荷下承压斜接管的安定性分析方法 129 3.3.4 移动热-机械载荷下压力管道弯头的安定性分析 140 3.4 热-机械载荷下承压壳体的棘轮极限载荷与低周疲劳评定 143 3.4.1 有限元分析模型及方法 143 3.4.2 棘轮极限载荷与疲劳寿命分析 145 3.4.3 基于安定性分析的结构疲劳试验载荷确定 149 3.5 本章小结 150 第4章 热-机械载荷下焊接接头的安定与棘轮极限载荷分析 151 4.1 焊接接头安定性分析的有限元模型 151 4.2 基于弹性安定极限载荷的模型验证 154 4.3 焊接接头安定性分析结果与讨论 154 4.3.1 坡口型式对焊接接头安定极限载荷的影响 154 4.3.2 管道厚度对焊接接头安定极限载荷的影响 155 4.3.3 焊材屈服应力对焊接接头安定极限载荷的影响 156 4.3.4 焊材弹性模量和热膨胀系数对焊接接头安定极限载荷的影响 158 4.4 焊接接头安定性的简化评估方法 159 4.4.1 焊接接头的应力集中系数 159 4.4.2 弹/塑性安定极限载荷及拐点值的确定 159 4.4.3 安定/棘轮极限载荷的确定 160 4.5 本章小结 161 第5章 复杂条件下多层膜-基结构的安定性分析 162 5.1 弹-塑-蠕变条件下多层膜-基结构的安定性分析 163 5.1.1 弹-塑-蠕变条件下多层膜-基结构的安定极限方程 163 5.1.2 Si-Cu双层梁分析 167 5.2 缺陷对多层膜-基结构安定极限载荷的影响 176 5.2.1 考虑温度相关屈服应力的LMM基本理论 176 5.2.2 含缺陷热障涂层系统有限元模型 179 5.2.3 安定性分析结果与讨论 181 5.3 延性损伤对多层膜-基结构安定极限载荷的影响 186 5.3.1 耦合延性损伤的弹塑性理论公式 186 5.3.2 延性损伤多层梁的安定性分析 190 5.4 本章小结 199 第6章 螺栓法兰结构及紧固件的安定性分析 201 6.1 循环热-机械载荷下螺栓法兰结构的安定性分析 201 6.1.1 整体螺栓法兰结构有限元模型 201 6.1.2 螺栓预紧力 202 6.1.3 安定性分析结果与讨论 203 6.2 循环载荷幅对紧固件安定/棘轮极限载荷的影响 206 6.2.1 螺栓材料35CrMo的循环拉伸试验 206 6.2.2 考虑应力率的黏塑性本构方程 210 6.2.3 修正的黏塑性本构模型 214 6.3 循环压缩条件下密封垫片的棘轮变形与安定性分析 217 6.3.1 垫片循环压缩试验装置设计 217 6.3.2 聚四氟乙烯垫片的循环压缩棘轮变形分析 219 6.3.3 柔性石墨增强垫片的循环压缩棘轮变形 235 6.3.4 无石棉垫片的循环压缩棘轮变形 243 6.4 本章小结 254 第7章 热-机械复合载荷下汽轮机转子轮缘结构的安定性分析 256 7.1 线性匹配法的基本原理 256 7.1.1 上限安定分析 257 7.1.2 下限安定分析 258 7.2 汽轮机转子轮缘-叶片结构模型及安定性分析 258 7.2.1 转子轮缘-叶片结构的有限元模型 258 7.2.2 材料属性和加载条件 260 7.2.3 稳定工况下的线弹性应力分布 261 7.3 转子轮缘-叶片结构的安定极限载荷分析 263 7.3.1 实际操作载荷下转子轮缘-叶片结构的安定性分析 263 7.3.2 转子轮缘-叶片结构的安定极限载荷 265 7.4 转子轮缘-叶片结构的棘轮极限载荷分析 267 7.4.1 稳定循环状态 267 7.4.2 启动工况下转子轮缘-叶片结构的棘轮分析 268 7.4.3 棘轮极限载荷交互曲线 269 7.5 本章小结 270 第8章 蠕变-疲劳载荷下的滞弹性回复效应及其对安定极限载荷的影响 271 8.1 X12CrMoWVNbN10-1-1钢的蠕变-疲劳试验 271 8.1.1 试验材料 271 8.1.2 试验条件 272 8.2 X12CrMoWVNbN10-1-1钢的蠕变-棘轮试验结果与分析 274 8.2.1 X12CrMoWVNbN10-1-1钢在蠕变-疲劳载荷下的滞弹性行为 274 8.2.2 滞弹性回复对X12CrMoWVNbN10-1-1钢棘轮与安定行为的影响 278 8.3 X12CrMoWVNbN10-1-1钢的蠕变-棘轮预测模型 279 8.3.1 弹-塑-蠕变响应的基本理论公式 280 8.3.2 考虑滞弹性的非线性随动硬化模型 280 8.3.3 单轴蠕变方程及参数 281 8.4 X12CrMoWVNbN10-1-1钢的蠕变-棘轮预测结果与讨论 282 8.5 本章小结 285 第9章 基于规范的承压设备安定性设计方法 286 9.1 基于ASME规范的承压设备安定性设计准则 286 9.1.1 中低温构件安定性设计规范(ASME BPVC-Ⅲ-NB) 286 9.1.2 高温构件安定性设计规范(ASME BPVC-Ⅲ-NH) 289 9.2 R5规程中高温构件安定性设计准则 298 9.2.1 结构安定评定的简化方法 298 9.2.2 结构安定性评定的详细方法 299 9.2.3 安定性分析与稳态循环应力极限的计算 301 9.3 基于RCC-MRx规范的高温部件安定性设计准则 311 9.3.1 不考虑蠕变情况下的渐增性变形 311 9.3.2 考虑蠕变情况下的渐增性变形 318 9.4 欧盟EN 13445-3规范中关于结构安定性设计方法的介绍 324 9.5 日本C-TDF方法 325 9.6 苏联USSR规范的相关规定 325 9.7 本章小结 325 参考文献 327 附录1 逐次循环(CBC)有限元分析命令流 343 附录2 基于非循环方法的有限单元分析命令流 351 附录3 厚壁圆筒自增强压力优化有限元分析命令流 356 附录4 双层梁弹-塑-蠕变数值迭代分析程序(基于MATLAB) 360