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| 內容簡介： |
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本书根据作者多年的教学、工作经验和新标准修订情况编著，介绍了与压力容器分析设计相关的弹性力学、应力分析、有限元分析等基本知识和基础理论，并以失效模式为主线，结合工程实例，阐述了极限分析、安定分析、屈曲分析、疲劳分析及蠕变疲劳分析等评定方法。本书可供化工装备相关工程技术人员阅读参考，也可供高等院校装备专业高年级学生和研究生使用。
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| 目錄：
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1 弹性力学基础 001
1.1 应力状态 001
1.1.1 应力符号规则 001
1.1.2 一点的应力状态 001
1.1.3 应力分量坐标变换 002
1.2 基本方程 004
1.2.1 平衡方程 004
1.2.2 几何方程与变形协调方程 006
1.2.3 物理方程 008
1.2.4 应变能及其构成 009
1.3 平面问题 010
1.3.1 平面应力问题 010
1.3.2 平面应变问题 011
1.3.3 弹性力学平面问题的解 012
1.4 小孔应力集中 013
1.4.1 小圆孔应力集中 013
1.4.2 椭圆孔应力集中 015
1.5 屈服条件 016
1.5.1 Tresca 屈服条件 016
1.5.2 Mises 屈服条件 017
2 有限元基本原理 019
2.1 概述 019
2.2 有限元分析简明过程 020
2.2.1 二连杆结构经典静力分析 020
2.2.2 二连杆结构有限元分析 021
2.2.3 刚度方程 023
2.2.4 有限元分析基本过程 025
2.2.5 总刚度矩阵特点 027
2.3 虚功原理的应用 028
2.3.1 虚位移和虚功原理 028
2.3.2 应用虚功原理推导有限元基本方程 029
2.3.3 关于位移函数 036
2.4 载荷移置与高斯积分 036
2.4.1 单元载荷移置 036
2.4.2 高斯积分 038
2.4.3 应力修匀 040
2.5 等参单元 040
2.5.1 一般四节点矩形单元 040
2.5.2 等参单元基本概念 041
3 关键受压元件力学分析与强度设计 046
3.1 回转薄壳应力分析 046
3.1.1 回转薄壳的几何结构 046
3.1.2 无力矩理论 047
3.1.3 无力矩理论的应用 049
3.2 厚壁圆筒应力分析 055
3.2.1 受压力载荷作用 055
3.2.2 由温度变化引起 063
3.3 平板应力分析 065
3.3.1 概述 065
3.3.2 圆平板对称弯曲微分方程 065
3.3.3 圆平板中的应力 067
3.4 壳体的稳定性分析 073
3.4.1 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析 073
3.4.2 受均布周向外压的长圆筒的临界压力 075
3.4.3 受均布周向外压的短圆筒的临界压力 075
3.4.4 受均布轴向压缩载荷圆筒的临界应力 076
3.5 压力容器关键受压元件强度设计 077
3.5.1 圆柱壳 077
3.5.2 球壳和半球形封头 079
3.5.3 椭圆形封头 081
3.5.4 锥壳 081
3.5.5 平盖 081
3.5.6 承受组合载荷的元件应力评定 082
4 结构不连续分析 084
4.1 回转薄壳的不连续分析 084
4.1.1 不连续效应与不连续分析的基本方法 084
4.1.2 圆柱壳受边缘力和边缘力矩作用的弯曲解 085
4.1.3 不连续应力的特性 088
4.2 薄壁圆柱壳和椭圆形封头的连接 089
4.3 薄壁圆柱壳和平盖的连接 092
4.4 薄壁壳体和接管的连接 093
4.5 管壳式换热器管板连接结构 095
4.6 局部应力与应力集中系数 097
4.6.1 概述 097
4.6.2 薄壁球壳和薄壁圆柱壳上开小孔 097
4.6.3 确定局部应力的几种工程常见方法 098
5 应力分类法 102
5.1 概述 102
5.1.1 常规设计的局限性 102
5.1.2 分析设计的基本思想 103
5.1.3 载荷和载荷组合 103
5.2 压力容器的应力分类 104
5.2.1 应力分类 104
5.2.2 应力线性化处理 108
5.2.3 当量应力计算 110
5.3 应力评定依据 113
5.3.1 许用应力 113
5.3.2 极限分析 113
5.3.3 安定性分析 114
5.3.4 热应力棘轮边界 115
5.3.5 设计疲劳曲线 118
5.4 应力评定原则 124
5.5 基于失效模式的应力评定 126
5.5.1 塑性垮塌评定 126
5.5.2 局部过度应变评定 126
5.5.3 棘轮评定 126
5.5.4 疲劳评定 128
6 弹塑性分析法 136
6.1 概述 136
6.2 塑性垮塌 136
6.2.1 载荷组合工况 137
6.2.2 合格准则 138
6.2.3 极限分析 138
6.2.4 弹塑性分析 139
6.3 局部过度应变 140
6.3.1 评定步骤 140
6.3.2 累积损伤法 141
6.4 屈曲 142
6.4.1 屈曲失效评定方法和设计系数 142
6.4.2 屈曲失效评定步骤与流程 144
6.4.3 屈曲的有限元计算 144
6.5 疲劳 145
6.5.1 概述 145
6.5.2 循环应力-应变曲线 145
6.5.3 逐个循环分析法 146
6.5.4 二倍屈服法 146
6.5.5 弹塑性疲劳分析步骤与流程 147
6.6 棘轮 148
6.6.1 概述 148
6.6.2 弹塑性分析和判据 149
6.6.3 棘轮分析步骤与流程 150
6.7 直接法 150
6.7.1 概述 150
6.7.2 直接法计算过程 151
7 压力容器高温分析设计 155
7.1 各国主流高温规范简介 155
7.2 ASME 规范案例2843 和2605 156
7.2.1 ASME 规范案例2843 157
7.2.2 ASME 规范案例2605 158
7.3 GB/T 4732.5 附录A 160
7.3.1 方法一 161
7.3.2 方法二 162
7.4 高温结构完整性评价软件 164
附录 压力容器应力分析和评定工程案例 168
附录A 热熔盐储罐应力分析和蠕变-疲劳评定 168
附录B 高压加热器管板应力分析和轻量化设计 173
附录C 悬吊式塔设备应力分析和评定 181
附录D 氧化器换热段应力分析和评定 186
附录E 过滤器进口阀体及管嘴组件应力分析和评定 193
附录F 超大型真空容器非线性稳定性分析 196
附录G 基于ANSYS/FE-SAFE 分析的回流罐当量结构应力法焊缝疲劳评定 198
附录H 粉煤放料罐疲劳分析 204
附录I 基于应力分类法和极限载荷法的板式换热器强度评定 209
附录J 卧式储罐有限元模型的建立 216
附录K 壳体径向接管安定和棘轮边界直接法计算 230
参考文献 234
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| 內容試閱：
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压力容器为盛装有压力介质的密闭容器，而且介质可能具有易燃、易爆、腐蚀或剧毒的危险性，一旦发生泄漏，往往引起爆炸、火灾、中毒或环境污染等灾难性后果。我国对压力容器的设计、制造、安装、使用、检验、维修、改造及报废等各个环节进行安全监察，颁布了一系列法律、法规、安全技术规范和设计制造标准，以保证压力容器的安全使用、安全运行。
压力容器分析设计标准是我国压力容器标准体系中两大核心标准之一，也是我国与ASME和欧盟两大压力容器标准体系中的核心标准相对应的标准。以ASMEⅧ-1、GB/T150为代表的常规设计标准采用传统的防止容器发生弹性失效的设计准则，将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，也不适用于复杂的载荷和结构。1968年美国公布的Ⅷ-2《压力容器另一规则》，即分析设计标准，引进了全新的设计理念，并在设计理论和技术方面不断修改和补充。
我国自1995年发布实施了JB4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》，并在2005年公布确认版，这使得分析设计技术得到了越来越多的应用。分析设计采用针对不同失效形式的多种设计准则，适用的结构和载荷形式更广泛。与常规设计比较，分析设计的材料抗拉强度设计系数相对较低，对于屈强比较大的材料，许用应力由抗拉强度控制，分析设计中的许用应力大于常规设计中的许用应力，这意味着对于压力高、直径大的高参数压力容器采用分析设计可以适当减薄厚度、减轻重量。此外，受交变载荷作用的压力容器、结构或者载荷特殊的压力容器，也需要采用分析设计技术。
压力容器分析设计可分为公式法、应力分类法和弹塑性分析法。在压力容器分析设计中，公式法一般基于经典的力学计算，而应力分类法和弹塑性分析法往往需要进行有限元数值分析。因此，作为分析设计技术基础，本书既介绍了分析设计标准中公式法、应力分类法和弹塑性分析法的基本概念、条文规定和设计要点，也介绍了弹性力学基础、压力容器力学分析和有限元基本原理。此外，本书附件还给出了北京化工大学CAE中心采用应力分类法或弹塑性分析法的基于有限元分析所完成的部分压力容器应力分析及评定工程案例，案例内容包括强度评定、稳定性校核及疲劳分析等。
本书的主要特点体现在以下几方面：
（1）力求内容系统性 全书分为弹性力学基础、有限元基本原理、关键受压元件力学分析与强度设计、结构不连续分析、应力分类法及弹塑性分析法等部分。内容全面、系统，涵盖了与分析设计技术相关的力学基本知识、数值模拟基础、主要标准规定等。因此，本书有助于从事压力容器设计工作的工程设计人员建立力学基础，熟悉有限元基本概念，知晓规范整体架构。
（2）强调基本概念和基础理论 压力容器分析设计基于确定的力学分析，包括力学模型建立、应力和变形求解、强度与刚度评定等，涉及许多力学和数学知识，如材料力学、弹塑性力学、板壳理论以及有限元数值分析。鉴于在一本书中全面系统介绍这些力学和数学知识不现实，本书重点介绍了和压力容器分析设计相关的力学概念、解题方法和标准应用。例如，就圆柱壳公式法壁厚计算，进行了内压作用下厚壁圆柱壳弹塑性应力分析，基于给定屈服判据推导了初始屈服压力和全屈服压力，并以极限载荷为设计依据演算得到了壁厚计算公式。
（3）注重工程实用性 本书旨在为压力容器分析设计人员提供一本实用的设计参考书，因此没有刻意追求深奥的理论和繁杂的演算，而是直接采用了一些和压力容器分析设计相关的结果，注重工程实用性。例如，极限分析和安定性分析理论比较复杂，本书中未作详细描述，但介绍了和压力容器强度评判相关的极限分析和安定性分析原理与应用。针对分析设计标准内容广、图表多的问题，本书也从工程实用的角度进行了精简。另外，附录列举了一些压力容器应力分析和评定工程案例，供设计人员参考。
（4）尽可能解析标准条款 新标准参考了ASMEⅧ-2，也传承了JB4732压力容器分析设计标准的一些基本理论和技术，有些规定是工程经验甚至教训的总结，有些规定时间已久，但本书尽可能解析标准条款规定的原因，例如，在疲劳失效评定中，就S-N曲线，解释了平均应力修正以及疲劳分析免除准则的原理。因此，本书能在一定程度上提升读者对标准的理解。
本书第1～4章、第5章5.1～5.4节由钱才富编著；第5章5.5节、第6章、第7章由沈编著；附录部分由吴志伟编著。全书由钱才富统稿。编著者在本书的写作过程中得到了不少专家学者的支持和帮助，同时感谢魏冬雪、杨旭、王昕等人对书稿的校正。
限于编著者水平，书中疏漏之处在所难免，敬请读者指正。
编著者
2024年9月
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