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1、第19卷第4期核动力工程Vol.19.No.41998年8月NuclearPowerEngineeringAug.1998分析设计中应力分类的一次结构法陆明万陈勇李建国(清华大学工程力学系,北京,100084)(全国压力容器标准化技术委员会,北京,100088)摘要我国新的设计规范JB24732295《钢制压力容器———分析设计标准》于1995年3月颁布实施。如何将有限元分析或实验应力分析得到的总应力场分解成规范中定义的各种应力类别是应用JB24732295或美国ASME《锅炉及压力容器规范》第Ⅲ篇和第Ⅷ篇第2分册时必须解决的关键问题。本文提出应
2、力分类的两步法和一次结构法,将它们和等效线性化方法相结合,给出了圆满解决该问题的有效方法。文中还阐述了应力分解的不唯一性、自限应力、约束分类和一次结构等重要概念。关键词分析设计应力分类一次结构法等效线性化方法1引言“分析设计法”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法,已被世界各国公开承认和广泛采用。我国也于1995年3月颁布了采用分析设计法的设计规范JB24732295。在分析设计法中弹性计算应力被分成:一次总体薄膜应力(Pm)、一次局部薄膜应力(PL)、一次弯曲应力(Pb)、二次应力(Q)和峰值应力(F)等五大类。以塑性失效准则来判
3、断,各类应力对结构破坏的危害程度是不同的,所以规范中根据等强度设计原则对不同的应力规定了不同的许用极限,其差别达3倍,甚至更多。这样,如何正确地进行应力分类,将有限元分析或实验应力分析所得到的总应力场分解成规范中定义的各类应力成为应用中最为关心、且必须解决的关键问题。国内外发表了大量文章来讨论这一问题,其中等效线性化方法是已被广泛采用的典型方法。一些著名的有限元分析程序如ANSYS、MARC、NASTRAN等都已实现了等效线性化的后处理功能。我们也曾在文献[1～3]中作了讨论。等效线性化方法要求设计者在所考虑结构的几个可能的危险部位指定一些贯穿壁
4、厚的(通常是垂直于中面的)应力分类线,然后根据合力等效和合力矩等效的原理将沿应力分类线分布的弹性计算应力分解出薄膜应力和线性弯曲应力,剩下的非线性分布应力就是一个与平衡外载无关的自平衡力系。等效线性化概念起源于ASME规范,被Kroenke等首先应用于二[4～6]维轴对称问题。对于三维一般情况,Hollinger和Hechmer两人就基于应力线性化的三维[7～13]应力准则问题发表了一系列的重要文章。本文将首先介绍文献[1]中提出的应力分类的两步法。然后,作为等效线性化方法的扩充,提出一种有效的应力分解方法“一次结构法”。1997年7月14日收到
5、初稿,1997年10月6日收到修改稿。©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net陆明万等:分析设计中应力分类的一次结构法3312应力分类的两步法第一步:根据应力的作用和性质,应力可分为一次应力和自限应力两大类。[14]一次应力(P)是平衡外部机械载荷所需要的应力。它也可称为载荷控制应力或平衡控[15]制应力。一次应力的作用是满足平衡条件,即承受外加载荷,一次应力的基本性质是没有自限性,即因它超过极限值而导
6、致的塑性流动是不可限制的,直至结构破坏。因而一次应力的危害性很大。自限应力包括二次应力和峰值应力(Q+F),是满足结构内部或结构与外部几何约束间的连续性条件所需要的应力,自限应力的作用是满足连续性条件(又称协调条件),即克服结构不连续性。自限应力的基本性质是具有自限性,即当它超过极限值时只要少量的局部塑性变形就能满足连续性条件,塑性流动就自动限止,只要不反复加载,结构就不会破坏。因而自限应力的危害性较小。第二步:根据应力的分布规律和影响范围,进一步将一次应力分类为一次总体薄膜应力(Pm)、一次局部薄膜应力(PL)和一次弯曲应力(Pb);将自限应力
7、分类为二次应力(Q)和峰值应力(F)。根据规范中有关分布规律和影响范围的定义,区分薄膜应力和弯曲应力以及总体薄膜应力和局部薄膜应力并无多大困难。困难在于识别局部薄膜应力的性质。为方便起见,工程应用中将全部局部薄膜应力都归入一次局部薄膜应力(PL)。其实有两种局部薄膜应力,一种是纯一次局部薄膜应力(真PL),它们是平衡作用在边界上的外部机械载荷(如与内压相平衡的法兰力矩)所必须的,或是由平衡外部机械载荷所必须的壳体连接处的内力和弯矩(如锥形过渡段小端)所引起的。另一种是二次局部薄膜应力(伪PL),它们是由克服总体结构不连续所需要的壳体连接处的内力和
8、弯矩(如半球或椭球封头2筒体连接处)所引起的,从保守和方便考虑也被归入PL。值得指出的是,一般说应力强度极限取为1.5Sm(Sm为材料的
