ASME Ⅷ-2中简化的弹塑性分析方法中的塑性修正.pdf

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1、第41卷第1期化工机械65ASMEⅦ-2中简化的弹塑性分析方法中的塑性修正沈錾+(惠生工程(中国)有限公司)摘要介绍了ASMEⅧ一2(2007)给出的3种塑性修正计算方法，阐述了各方法的基本原理、区别、联系、优势、局限以及计算步骤等。关键词弹性分析简化的弹塑性分析塑性修正疲劳罚系数泊松比修正中图分类号TQ051文献标识码A文章编号0254-6094(2014)01-0065-04运用弹性分析解决弹塑性问题是压力容器分析中一个重要的设计理念。在软、硬件条件受限或对塑性机理尚未彻底了解的情况下，这是解决塑性问题的一个有效途径。所谓简化的

2、弹塑性分析方法就是运用弹性有限元进行弹塑性分析。在该方法中，塑性修正是影响其有效性、精度和成本的关键因素。2007年，重新修正后的ASMEVl一2⋯(下文简称“规范”或“新规范”)颁布，对这部新规范的理解和解读一直是全球压力容器行业的研究热点。这部新规范的亮点之一是针对塑性垮塌、局部失效、由失稳引起的垮塌和由循环载荷引起的失效4种失效模式全面引入了基于数值分析(有限元法)的弹塑性应力分析方法，文献[2—7]均对此予以重点介绍。相比以往常用的弹性分析方法，弹塑性分析更精确、更先进，也更复杂、更昂贵。该法能成为业内研究和关注的焦点也不足

3、为奇，但值得注意的是，新规范并未放弃或淡化弹性分析法，相反，规范对弹性分析方法也做出了重大的改进和完善，但相比弹塑性分析方法，未引起足够的重视。新规范对简化的弹塑性分析方法中的塑性修正给出了全新的计算方法，除了保留原有的方法(下文称方法I)还给出了两种全新的方法(下文称方法Ⅱ和方法11I)，这是新规范对弹性分析方}沈望，男，1980年8月生，工程师。上海市，201203。法的重大改进之一。笔者对这3种方法的技术背景和基本原理进行深入讨论，以便其在工程实践中正确实施。1循环载荷下的结构响应结构经历循环载荷时，往往经历这样一个过程：从第

4、一个循环开始，结构发生弹性变形，高应力区产生局部塑性变形，在这个过程中，材料的硬化、软化和材料性能的改变也会同时发生，所以循环的初始阶段应力应变范围是变化的；经过一次或数次循环后，应力应变逐渐稳定，结构趋于安定，即不会发生渐增性的塑性变形，局部塑性区域被周围的弹性区域包围，整个结构呈现弹性响应，结构安定是进行疲劳分析的前提；经过最初数次载荷循环后，局部塑性区经历稳定的应力一应变循环，即应力一应变曲线呈现稳定的滞后回线。疲劳裂纹的萌生、扩展就发生在这些局部塑性区。以上是大部分压力容器部件在循环载荷下的结构响应。2简化的弹塑性方法规范中

5、第一种疲劳设计法给出了基于弹性分析所得的一次]Jtl-次加峰值应力的评定方法。该法的前提之一就是一次加二次应力范围不超过3S。(2S，)，其中S。为材料的许用应力，S，为材料的屈服极限。如果超过这个极限，可以使用非线性有限元法进行弹塑性分析，但这样做还是有困化工机械2014焦难的：首先，弹塑性分析成本较高；其次，弹塑性分析必须考虑循环应变的软化、硬化和包辛格效应。于是规范为弹性疲劳评定提供了结合修正系数的简化的弹塑性分析方法，即仅使用弹性有限元进行非弹性结构分析。简化的弹塑性方法基于如下假设：结构中的塑性区被其周围的弹性材料所限制。

6、这意味着结构总的应变历史可由弹性分析来确定。因此，该法在大部分情况下是保守的。3塑性修正很多压力容器都承受热载荷，如果满足了简化的弹塑性准则，则热应力棘轮可以避免。但这些热载荷引起的局部塑性可以促使疲劳裂纹萌生。而基于弹性应力分析和光滑试件S一Ⅳ曲线的疲劳分析方法本身无法考虑塑性引起的疲劳裂纹萌生。所以，在基于弹性应力分析的低周疲劳评定中，对发生显著塑性变形部位的局部塑性范围如何处理应慎重考虑。规范给弹性应力分析规定了一些修正系数，以此来保证结果的可靠性，并且在大多数情况下是保守的。规范规定了两个修正系数，这两个系数都是用来处理弹性

7、分析所得值与真实值之间的差异，但它们的出发点是完全不同的：第一个系数与弹性分析和非弹性分析之间的体积差异有关，第二个系数与非线性应力一应变关系有关。3．1泊松比的修正对于泊松比的修正，规范建议对弹性分析使用经过修正的泊松比，其表达式为：p。=0．5一(o．5一p。)I≯l(1)＼‘)s．^，式中S。；——第k次循环的循环次数从设计疲劳曲线获得的交变应力值；S，。——第k次循环平均温度下的材料屈服强度；矿_一弹性泊松比。规范中假设Ⅳ。=0．3，得：圹o．s-o2(豢)㈦式(2)仅推荐用于局部热应力。在弹性分析中一般采用Ⅳ。=0．3会低

8、估当量应变范围，为了克服这个偏差，规范使用修正的泊松比来加以考虑。为了完成热载荷条件下的疲劳分析，不仅要确定垂直于表面的应变，还要确定沿着表面的应变。后者由泊松效应引起，即一个方向收缩会引起另外两个方向的伸长，换句话说，此效应代表体积