【ASME分析设计】ASME分析设计的要求及步骤

ASME分析设计标准主要是根据一个部件失效的模式进行展开的，判断一个部件的安全性需要通过以下4种失效模式，且必须每个都通过：

1）防止塑性垮塌

2）防止局部失效

3）防止失稳

4）防止循环载荷失效

1.防止塑性垮塌？

防止结构发生塑性垮塌有三种方法：1）弹性应力分析；2）极限载荷分析；3）弹塑性应力分析。

1）弹性应力分析

防止部件塑性垮塌需要评定三种应力：总体薄膜应力（Pm）、局部薄膜应力（PL）和薄膜加弯曲应力（PL+Pb）。对于Pm一般通过常规计算来保证，因此只需要评定后面两种应力，而PL+Pb在很多情况下很难区分，容易被划分为二次应力（Q），很容易造成冒进而影响结构的安全。需要注意的是评定二次应力时需采用操作工况分析出来的应力；ASME标准采用第四强度理论-形状改变比能理论，而JB/T4732采用的是第三强度理论-最大剪应力理论。

2）极限载荷分析

ASME Ⅷ-2规范已经引入了载荷与阻力系数设计（Load and Resistance Factor Design, LRFD)，并将其应用到了极限载荷与弹—塑性分析中，不再采用两倍弹性斜率作为评判准则。

根据表5.4极限载荷分析的载荷组合和载荷系数，分为载荷工况组合1：总体准则、载荷工况组合2：局部准则、载荷工况组合3：液压测试条件。在分析时，需要考虑每种组合工况的载荷组合与系数，只有每种工况求解收敛了才认为该结构极限载荷分析合格。

3）弹塑性应力分析

弹塑性应力分析也引入了载荷与阻力系数设计，据ASME Ⅷ-2 表5.5 用于弹—塑性应力分析的载荷工况组合和载荷系数，需要考虑的载荷组合：总体准则、局部准则、液压测试条件。只要所有单元的成形应变与总的当量塑性应变之和小于或等于三轴应变极限，则结构处于安全。

弹性分析与弹塑性分析对比如下：

(1)  弹性应力分析是一种线性分析，材料始终处于线弹性范围，采用小变形理论，刚度矩阵不随结构的变形而改变，得到的是名义应力与应变；弹—塑性应力分析是一种材料与几何非线性分析，需要输入真实的应力—应变曲线，考虑材料的应变强化。在求解迭代过程中，结构的刚度矩阵随结构变形而不断更新，进而建立新的平衡迭代方程，求解的应力、应变值更加接近工程实际。

(2)  在求解过程中，弹性应力分析设计相对简单，只需要施加相应载荷即可；而弹—塑性应力分析设置相对复杂一些，需要对一些非线性求解项进行设置来确保结构的收敛性，例如：时间步、大变形开关、线性搜索、牛顿—拉普森选项、自动时间步长、时间步长预测、加载方式等。

(3)  在后处理过程中，弹性应力分析要自定义路径，对路径上应力线性化后进行应力强度评定。而应力线性化与网格的划分、操作人员有很大关系，随机性较大。在应力较复杂的情况下，有可能出现不能对应力类别进行准确的划分，而导致出现冒进的做法；弹—塑性应力分析免除了应力线性化与应力分类，需要按照ASME标准对多轴应变极限、总的当量塑性应变、结构成形应变进行运算与比较，处理过程相对弹性应力分析更复杂一些。

(4)  关注的重点：弹性应力分析重点关注结构的应力强度以及线性化后各应力分量；而弹—塑性应力分析重点关注计算是否收敛，应力、应变、塑性应变等对加载的时间历程曲线是否光滑，多轴应变极限、总的当量塑性应变、结构成形应变等。这主要是由于两种方法对计算结果的评判标准不一样，前者采用应力分类准则，后者采用局部应变极限准则。

(5)  多数情况下，弹性应力分析中针对危险截面的线性化处理被迫转化成针对局部位置是否产生塑性铰的判断（除非是轴对称模型或类似情况），不能判断整个截面是否进去塑性，但结构产生有限个不相连的塑性铰并不会阻碍其继续承载。弹—塑性应力分析考虑了变形导致的应力重分布，可以直观模拟出塑性铰连成几何可变机构的现象。所以，弹性应力分析比弹—塑性应力分析保守，但后者更耗时，对计算机硬件要求较高。

2. 防止局部失效？

防止结构局部失效可以采用弹性分析和弹塑性分析。

1）弹性分析

对于弹性分析只需要满足三项应力的代数和小于4S即可。

2）弹塑性分析

需控制每种载荷组合工况下所有单元的成形应变与总的当量塑性应变之和小于或等于三轴应变极限，则结构处于安全。

3. 防止失稳？

对结构进行数值分析，求出结构的屈曲载荷，除以相应的安全载荷就可以得到结构的许用外压力，方法分为特征值分析和非线性分析。特征值分析属于线性屈曲分析，其实是不切合实际的，而非线性分析则包括几何非线性、材料非线性、边界条件非线性或接触分析，更加切合工程实际。

4. 防止循环失效？

1）棘轮评定

实际上不安定有两种：在反复加载过程中同一局部每次都发生正反交替的塑性变形，此时不满足安定性会导致塑性疲劳，这种情况会在很短的时间内发生破坏，叫做低周疲劳破坏。还有一种是塑性变形不是正反交替的而是累计的，叫做棘轮现象。破坏叫做累计塑性变形破坏。当只存在一组反复作用的载荷时，不会发生棘轮现象。

对于一台设备，棘轮评定是必须的无论是否是疲劳设备，只要存在开停车。棘轮评定是采用操作工况进行的，并且评定的是一个振幅量，与疲劳评定有些类似并且它的评定结果将作为疲劳评定的系数出现（疲劳损伤系数）。如果满足小于Sps的条件在进行疲劳分析时疲劳损失系数就可以取1，否则要修改疲劳损失系数。

在没有热应力的情况下（或不认为有明显热应力的情况下）部件的一次加二次应力需要小于等于Sps。一旦大于就认为棘轮会发生也就是不安定。

在有热应力的情况下，有两种情况，一种是包含热载荷在内的所有载荷产生的应力小于Sps，这时与第一种无区别。当包含热载荷后大于Sps时可进行分别评定：不包含热载荷的工况下必须小于Sps并对热载荷产生的热应力进行单独的评定。采用这种方法时必须限定设备的使用次数，也就是该设备变为疲劳设备来处理。

一般进行二次应力评定所依赖的原理就是棘轮评定。具体如下：在没有热载荷时，采用设计压力和温度评定二次应力在很多情况下都是保守的，因为设计温度和压力一般都比操作情况下苛刻；当有温差应力时，一般会单独使用操作工况直接计算带有温度和其他机械载荷的应力，这时就需严格按照棘轮评定方法进行。

2）疲劳评定

疲劳分析分为弹性分析和弹塑性分析。一般是对循环工况进行应力分析，求解出应力幅值，并且对应力幅值进行相应修正，查相应的疲劳曲线获得结构的疲劳寿命。当存在两个或更多的显著应力循环时，应计算疲劳累积损伤效应。在新版的ASME 2017标准中，引入了ASME NH的高温设备分析，给出了蠕变和蠕变-疲劳的分析设计方法，使AMSE VIII-2标准能够进行蠕变疲劳分析，技术更加成熟和先进。