魏晓，张岚，尤琳

    (山东豪迈机械制造有限公司，山东 青岛 266061)

    关键字：弹塑性分析；棘轮分析；有限元

    对于压力容器受压元件，通常会受到内压和沿壁厚叠加的循环热应力综合作用。热应力通常会在瞬态工况时产生，例如容器的开车和停工。加热温度或冷却温度的瞬态改变会形成沿壁厚方向的温度梯度。对于设有保温的容器，热量的损耗非常小，在经历温度瞬变后，温度沿壁厚会再次变为均布。因此，对容器或管道进行弹性分析时，由开车的瞬态温度变化产生的应力会在后续的操作中及停车后的一段时间后消失。

    当温度载荷为循环工况时，结构可能会发生棘轮失效。棘轮现象是元件受交变机械应力、温度应力或两者同时作用时出现的渐增的塑性变形或应变，而热应力棘轮是由部分或整体的温差应力引起的。棘轮现象的变形特点是每次加载循环的前半周和后半周在结构的不同部位轮流产生塑性变形，最终导致压力容器因渐增性变形而垮塌[1]。

    ASME 规范给出了两种分析棘轮现象方法，即弹性分析法和弹塑性分析法，弹性分析是一种近似方法，在大部分情况下偏于安全和保守，对棘轮进行严密的评定应采用弹-塑性分析方法[2]。

    在分析设计中，往往通过有限元程序对结构进行热-结构耦合分析对棘轮失效模型进行校核。如果满足以下任何一个条件，则棘轮准则满足。如果不满足下述的棘轮准则，则应修正元件的结构或降低作用的载荷并重新进行分析。①塑性应变为零，即表现为完全弹性行为或弹性安定，该准则最为保守；②弹性核准则，即出现塑性安定；③总体尺寸无永久性改变，即结构无明显渐增性塑性垮塌[3]。

    本文对一典型压力容器结构，由所作用载荷的施加、移去和再次施加，采用弹塑性分析以防止棘轮失效。分析结果表明弹性核是存在的，这意味着该结构处于安定状态，不会发生塑性棘轮失效。

    除此之外，为了进一步展示弹性核消失和塑性变形递增的现象，将25 mm 的球形封头替换为50 mm 厚的平盖结构。同时为了与弹性棘轮分析方法对比，本文依据规范对模型的关键部位进行线性化路径选取，用弹性分析方法对防止棘轮失效进行评定。结果表明用弹性分析方法与弹塑性分析方法所得结论一致。

    该结构包括一圆柱壳和球形封头，三维模型如图1 所示。建模厚度采用去除腐蚀余量并考虑成型减薄量的有效厚度，圆柱壳外径为φ700 mm，壁厚为50 mm，球形封头的厚度为25 mm。 ......