欧盟压力容器分析设计标准简介

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欧盟压力容器分析设计标准简介
0 前言
    以美国ASME锅炉与压力容器规范第Ⅲ篇和第Ⅷ第2分篇为代表的分析设计标准，主要是采用弹性应力分析和塑性失效准则相结合的方法。由于弹性应力分析的手段是成熟的，因此，这种以弹性分析代替塑性分析的工程近似方法，所给出的应力评定准则在工程上得到了广泛的应用。最初，分析设计规范所涉及的应力分析方法主要是薄板和薄壳理论，以及少量弹性力学解，能准确地将求得的薄膜应力和弯曲应力分类成一次应力和二次应力，并加以评定。

   有限元法的出现，丰富了应力分析的方法。而分析设计规范对如何保证有限元计算的正确性，特别是对求得的应力数值解如何分类等问题未给出指导性的规范原则。随着近代力学和计算机技术的高速发展，出现了许多功能强大的有限元应力分析软件，有限元法已成为应力分析的重要工具，大大提高了应力分析的能力和精度。但是，在应用有限元在进行应力分析特别是基于轴对称或三维实体单元分析时，对计算结果的应力分类就非常困难。因此，在按分析设计进行压力容器零部件的壁厚计算或强度校核时，不同的人，由于采用了不同的分析方法，有时会得到差别很大的结果，直接影响了分析设计标准的应用。

    最近，欧盟技术委员会CEN TC54 起草了欧盟统一标准�prEN13445-3《非接触火焰压力容器》，其中一些新理念和设计方法，对我国修订现行分析设计标准很有参考价值。本文对这些新理念和设计方法作了介绍。
1 新概念
    为了解决目前分析设计方法的困难，同时，更好地阐述分析设计中的直接方法，标准提出了一些新概念，包括原理和应用准则、载荷、部分安全系数、载荷响应的设计校核和强度的设计校核等。
1.1 原理（principles）和应用准则(application rule)
    标准在原理和应用准则上作了区别。原理是对给定的失效形式的概述、定义和基本要求，如果没有特别说明，其基本要求和分析模型不能用其它的来替代。应用准则是遵从原理并确定是否满足其要求的过程。与原理不同的是，可以有多个和符合相应原理的应用准则。例如，对结构总体塑性变形，其原理是：对任何载荷工况，其设计载荷都不能超过其设计强度。其相应的应用准则有两个：一是设计载荷小于极限载荷的下限值与相应的部分安全系数之比；二是最大一次应力强度不大于结构材料设计强度与相应的部分安全系数之比。
1.2 载荷(action)
与以前规范标准不同，欧盟标准中的载荷，指所有加在结构上引起应力或应变的热、机械量，如力、（包括压力），温度变化和施加的位移。载荷按随时间的变化可分为四类：  
a.永久载荷(permanent actions) 永久载荷包括结构的自重、辅助设备及附件的重量等。  
b.可变载荷(variable actions) 可变载荷包括对结构施加的载荷、风载荷和雪载荷，但不包括压力和温度及与确定它们相关的载荷。
c.意外载荷(exceptional actions) 由于一次承载的失效导致二次承载的载荷及意外的地震载荷。
d.压力和温度(pressures and temperatures) 尽管这两个量属于可变载荷，但由于它们具有随时间变化的特殊性能以及随机的特点等，因此，将他们单独化为一类载荷来考虑。
1.3 部分安全系数(partial safety factors)
    分析的不确定性，不同的载荷种类及组合形式、不同的失效形式中结构行为和产生后果的差异等都会给分析带来一定的困难。为了综合考虑这些因素的影响，欧盟标准引入了部分安全系数的概念。对不同的载荷，不同的载荷组合，不同的失效形式和不同的结构，给予不同的安全系数。这些部分安全系数组成了结构的总体安全系数即复合安全系数，以此来调整结构的安全余量。标准给出了各种载荷在不同条件下的部分安全系数。
1.4 载荷响应的设计校核(design checks－effects of actions)
    载荷的设计响应是在外部载荷作用下在结构中产生的内力（广义应力）和应力等，它是设计载荷和结构几何尺寸的函数。载荷响应的设计校核是在特定的载荷组合下，就结构特定的极限状态（代表一种或几种失效形式），对结构安全性的评定。在设计校核中，用设计载荷的特征值乘以相应的部分安全系数，得到结构的设计载荷，再求得相应设计响应值，将它和相应的设计强度作比较。设计强度是由对应的载荷组合的结构强度除以相应的强度部分安全系数。
1.5 强度的设计校核(design checks－resistances)
    强度的设计校核是由结构的失效形式直接决定的，标准中结构的失效形式主要包括：总体塑性变形、渐增塑性变形、失稳、疲劳和静平衡，根据不同的失效形式直接采用相关的失效准则来限定。
作者：浙江大学化工机械研究所    郑津洋 苏文献