鍋爐受壓元件強度分析與設計

第1章鍋爐受壓元件強度概論

1.1鍋爐結構與受壓元件名稱

1.2鍋爐受壓元件強度的特點

1.3鍋爐鋼材的強度特性與塑性特性

1.4鍋爐鋼材的高溫長期強度特性與持久塑性

1.5鍋爐受壓元件的低周疲勞

1.6鍋爐受壓元件的熱應力

1.7鍋爐受壓元件的殘余應力

1.8鍋爐受壓元件的應力松弛

1.9鍋爐受壓元件的應力分類與控制原則

1.10鍋爐受壓元件強度問題的解決方法

1.11鍋爐受壓元件損壞原因的判別

第2章鍋爐受壓元件強度計算規(guī)定

2.1鍋爐受壓元件強度計算標準的特點

2.2鍋爐受壓元件的安全系數(shù)與許用應力

2.3鍋爐受壓元件的計算壁溫

2.4國內(nèi)外鍋爐受壓元件強度計算標準

第3章鍋爐中承受內(nèi)壓力圓筒形元件的強度

3.1厚壁圓筒的應力分析

3.2未減弱的圓筒形元件的強度計算

3.3圓筒形元件上孔橋及焊縫的減弱

3.4圓筒形元件的強度計算方法

3.5大孔補強與孔橋補強

3.6彎頭和環(huán)形集箱的強度

3.7附加外載引起的彎曲應力的校核計算

3.8最大水壓試驗壓力

3.9對圓筒形受壓元件的結構要求

3.10承受內(nèi)壓三通的強度

第4章承受外壓圓筒形元件的強度及穩(wěn)定性

4.1承受外壓圓筒形元件的強度及穩(wěn)定性計算

4.2承受外壓圓筒形元件的強度與穩(wěn)定性計算方法

4.3加強圈與膨脹環(huán)的穩(wěn)定性

4.4對爐膽的結構要求

第5章回轉薄殼的強度

5.1回轉薄殼的應力分析

5.2回轉薄殼上孔與焊縫的減弱

5.3回轉薄殼的強度計算方法

5.4凸形管板的強度

5.5回轉薄殼上孔的補強

5.6對回轉薄殼的結構要求

第6章平板的強度

6.1平板的應力分析

6.2平端蓋及蓋板的強度計算

6.3有拉撐件的平板的強度計算方法及結構要求

6.4拉撐件的強度

6.5平板上孔的補強

第7章薄壁圓筒的邊界效應

7.1薄壁圓筒端部作用彎矩及剪力時的邊界效應

7.2圓筒體與凸形封頭連接處的應力分析

7.3圓筒體與平端蓋連接處的應力分析

第8章鍋爐受壓元件最高允許工作壓力的驗證法

8.1應力驗證法

8.2屈服驗證法

8.3爆破驗證法

8.4應力分析驗證法

第9章斷裂力學基礎

9.1用線彈性斷裂力學校驗元件強度的方法

9.2用彈塑性斷裂力學校驗元件強度的方法

9.3有裂紋容器壽命的估計

第10章有限元法基本原理

10.1有限元法基本概念

10.2單元分析

10.3整體分析

附錄1鍋爐受壓元件強度計算例題（僅供參考）

附錄2鍋爐安全閥排放量（泄放能力）確定

參考文獻 2100433B

本書全面系統(tǒng)地闡述了鍋爐受壓元件強度的基本理論及計算方法。主要內(nèi)容包括：鍋爐受壓元件受力及強度計算特點；鍋爐受壓元件應力分析及強度計算；與鍋爐受壓元件強度分析密切有關的問題，如鍋爐受壓元件試驗、斷裂力學基礎、有限單元法基本原理等。 本書可作為高等工科院校熱能工程（鍋爐）專業(yè)的專用教材，也可供鍋爐設計與制造企業(yè)的工程技術人員參考。

靜強度分析包括下面幾個方面的工作。

校核結構的承載能力是否滿足強度設計的要求，若強度過剩較多，可以減小結構承力件尺寸。對于帶裂紋的結構，由于裂紋尖端存在奇異的應力分布，常規(guī)的靜強度分析方法已不再適用，已屬于疲勞與斷裂問題。

校核結構抵抗變形的能力是否滿足強度設計的要求，同時為動力分析等提供結構剛度特性數(shù)據(jù)，這種校核通常在使用載荷下或更小的載荷下進行。

計算和校核桿件、板件、薄壁結構、殼體等在載荷作用下是否會喪失穩(wěn)定。有空氣動力、彈性力耦合作用的結構穩(wěn)定性問題時，則用氣動彈性力學方法研究。

計算和分析結構在靜載荷作用下的應力、變形分布規(guī)律和屈曲模態(tài)，為其他方面的結構分析提供資料。

靜強度分析的內(nèi)容也可通過靜力試驗測定或驗證。

主要采取先設計后分析最后試驗驗證的方法，可能需要反復幾次修改和再分析，有些試驗也可與分析交錯進行。傳統(tǒng)的靜強度設計采用工程計算方法，習慣上稱為強度計算方法。

飛行器結構強度計算的理論基礎和一般結構強度計算的理論基礎相同，有材料力學、彈性力學、結構力學、板殼理論、穩(wěn)定理論等學科。但由于飛行器結構的特點，飛行器結構強度計算在方法上有以下一些基本特點。

①靜載荷方法：飛行器的外載荷是復雜變化的，不是靜態(tài)問題。在靜強度研究中，是將各部分的慣性力比擬為靜態(tài)外載荷。突然作用的動載荷雖然通常會引起結構較大的響應,但可以采用動載荷放大系數(shù)加以修正,仍可作為靜載荷處理。

②設計載荷法：飛行器結構允許發(fā)生局部失穩(wěn)和局部塑性變形，所以在強度校核中不采用一般機械設計中的許用應力法，而采用設計載荷法，其強度準則為：使用載荷和安全系數(shù)由強度規(guī)范規(guī)定。

③線（性）彈性方法：計算復雜結構在復雜載荷下的精確應力和進行變形分析是很困難的。靜強度校核主要采用線彈性方法，對材料塑性和結構局部失穩(wěn)的影響可用各種系數(shù)（如斷面減縮系數(shù)，塑性系數(shù)）加以修正，在分析中還略去結構局部細節(jié)的變化（如鉚釘孔、斷面突變）。

靜強度分析是工程結構設計中使用最為頻繁的分析，主要用來求解結構在與時間無關或者時間作用效果可以忽略的靜力載荷（如集中/分布靜力、溫度載荷、強制位移、慣性力等）作用的響應，并得出所需的位移、應力和應變能等。

風力發(fā)電機組結構件的靜強度問題，實際是考察機組的關鍵結構件在使用當中承受最大作用載荷的能力，分析結構承受極端載荷時的最大應變、應力和位移，進而討論該結構的強度和剛度問題。分析方法及準則是風力發(fā)電機組結構件強度校核中最基本的分析原則，是機組結構設計活動中首先考慮的基本要求。

考慮到不同的載荷工況會導致結構件的受力狀態(tài)不同，因此，必須全面考察機組在運行中所遇到的各種載荷狀態(tài)（或稱工況）。同一載荷分量，靜強度僅考慮最大載荷值即可。通常風力發(fā)電機組結構靜強度分析依據(jù)相關規(guī)范給定的設計載荷法，即計算載荷必須包含安全系數(shù)γ_f。

根據(jù)求解問題的復雜程度，風力發(fā)電機組結構件的靜強度分析方法可分為兩類：工程計算方法和有限元計算方法。

對于某類結構件來說，其結構尺寸單一，受載條件簡單，并且有權威機構頒布的工程算法實例做參照，則此類結構件的靜強度分析可應用工程算法計算。例如，錐筒式塔筒筒段間螺栓連接的靜強度分析等。

對于載荷復雜或結構復雜的一類結構件（例如，輪轂、底盤等），工程算法或者傳統(tǒng)強度分析辦法無法給出合乎規(guī)范要求的精確解，必須借助數(shù)值計算完成這類結構件的靜強度分析。有限元法就是其中發(fā)展較為成熟的數(shù)值計算方法之一，是解決復雜力學問題的一個有效的工具。如上圖1為有限元靜強度分析的一般流程。

分析的一般流程

有限元靜強度分析是求解近似解的過程，求解精度高度依賴建模策略，網(wǎng)格密度以及載荷或位移邊界的施加方式，為保證計算結果安全可信，風力發(fā)電機組結構件的有限元靜強度分析應滿足下列基本原則。

建模及網(wǎng)格劃分應遵循的原則

1）對于非重點考察區(qū)域的細小特征，例如圓孔、倒角、凸臺等，在不影響整體剛度的前提下，可以適當簡化；

2）采用構建相鄰部件的部分模型（假體）的方法，增加模型的合理判別區(qū)域。結構件、假體模型的尺寸及其連接方式應與實際情況保持一致；

3）模型整體的網(wǎng)格規(guī)模和網(wǎng)格質(zhì)量應適當，重點校驗區(qū)域要加密網(wǎng)格，非重要的區(qū)域可適當增大網(wǎng)格尺寸，建議采用高階單元劃分模型；

4）對于呈現(xiàn)高應力狀態(tài)、應力梯度變化較大的局部區(qū)域，要細分網(wǎng)格，追求高質(zhì)量網(wǎng)格。建議出現(xiàn)高應力的倒圓特征至少劃分三層單元；

5）含有對稱結構特征的模型，可以考慮建立最小模型，降低計算復雜性。

施加載荷應遵循的原則

1）簡化假設越少越好；

2）使施加的載荷與結構的實際承載狀態(tài)保持吻合；

3）如必須作簡化處理時，必須忽略“不合理”簡化的邊界附近一定區(qū)域內(nèi)的應力；

值得注意的是，在結構分析中，集中載荷通常是梁、桿和彈簧等非連續(xù)性的模型施加載荷的一種途徑。對于由平面單元或者三維實體單元等組成的連續(xù)性模型，集中載荷意味著存在應力奇異點。在靜強度分析中，如果不關心集中載荷作用節(jié)點處的應力，根據(jù)圣維南原理，可以用等效集中載荷代替靜力分布載荷，添加在模型上，雖然這樣做會對載荷附近的局部特性有影響，但對整個結構的性能影響并不大。

無論采用工程算法還是數(shù)值算法，最后的工作都要歸結為：靜強度校驗。對于風力發(fā)電機組結構件的靜強度分析來說，就是通過應力（位移）比較，以校核結構件是否滿足強度和剛度的要求。具體的做法是篩選出最大應力（最大位移）的載荷情況，并對該情況下所產(chǎn)生的最大應力（位移）進行檢驗。