第1章锅炉受压元件强度概论

1.1锅炉结构与受压元件名称

1.2锅炉受压元件强度的特点

1.3锅炉钢材的强度特性与塑性特性

1.4锅炉钢材的高温长期强度特性与持久塑性

1.5锅炉受压元件的低周疲劳

1.6锅炉受压元件的热应力

1.7锅炉受压元件的残余应力

1.8锅炉受压元件的应力松弛

1.9锅炉受压元件的应力分类与控制原则

1.10锅炉受压元件强度问题的解决方法

1.11锅炉受压元件损坏原因的判别

第2章锅炉受压元件强度计算规定

2.1锅炉受压元件强度计算标准的特点

2.2锅炉受压元件的安全系数与许用应力

2.3锅炉受压元件的计算壁温

2.4国内外锅炉受压元件强度计算标准

第3章锅炉中承受内压力圆筒形元件的强度

3.1厚壁圆筒的应力分析

3.2未减弱的圆筒形元件的强度计算

3.3圆筒形元件上孔桥及焊缝的减弱

3.4圆筒形元件的强度计算方法

3.5大孔补强与孔桥补强

3.6弯头和环形集箱的强度

3.7附加外载引起的弯曲应力的校核计算

3.8最大水压试验压力

3.9对圆筒形受压元件的结构要求

3.10承受内压三通的强度

第4章承受外压圆筒形元件的强度及稳定性

4.1承受外压圆筒形元件的强度及稳定性计算

4.2承受外压圆筒形元件的强度与稳定性计算方法

4.3加强圈与膨胀环的稳定性

4.4对炉胆的结构要求

第5章回转薄壳的强度

5.1回转薄壳的应力分析

5.2回转薄壳上孔与焊缝的减弱

5.3回转薄壳的强度计算方法

5.4凸形管板的强度

5.5回转薄壳上孔的补强

5.6对回转薄壳的结构要求

第6章平板的强度

6.1平板的应力分析

6.2平端盖及盖板的强度计算

6.3有拉撑件的平板的强度计算方法及结构要求

6.4拉撑件的强度

6.5平板上孔的补强

第7章薄壁圆筒的边界效应

7.1薄壁圆筒端部作用弯矩及剪力时的边界效应

7.2圆筒体与凸形封头连接处的应力分析

7.3圆筒体与平端盖连接处的应力分析

第8章锅炉受压元件最高允许工作压力的验证法

8.1应力验证法

8.2屈服验证法

8.3爆破验证法

8.4应力分析验证法

第9章断裂力学基础

9.1用线弹性断裂力学校验元件强度的方法

9.2用弹塑性断裂力学校验元件强度的方法

9.3有裂纹容器寿命的估计

第10章有限元法基本原理

10.1有限元法基本概念

10.2单元分析

10.3整体分析

附录1锅炉受压元件强度计算例题（仅供参考）

附录2锅炉安全阀排放量（泄放能力）确定

参考文献 2100433B

本书全面系统地阐述了锅炉受压元件强度的基本理论及计算方法。主要内容包括：锅炉受压元件受力及强度计算特点；锅炉受压元件应力分析及强度计算；与锅炉受压元件强度分析密切有关的问题，如锅炉受压元件试验、断裂力学基础、有限单元法基本原理等。 本书可作为高等工科院校热能工程（锅炉）专业的专用教材，也可供锅炉设计与制造企业的工程技术人员参考。

静强度分析包括下面几个方面的工作。

校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求，若强度过剩较多，可以减小结构承力件尺寸。对于带裂纹的结构，由于裂纹尖端存在奇异的应力分布，常规的静强度分析方法已不再适用，已属于疲劳与断裂问题。

校核结构抵抗变形的能力是否满足强度设计的要求，同时为动力分析等提供结构刚度特性数据，这种校核通常在使用载荷下或更小的载荷下进行。

计算和校核杆件、板件、薄壁结构、壳体等在载荷作用下是否会丧失稳定。有空气动力、弹性力耦合作用的结构稳定性问题时，则用气动弹性力学方法研究。

计算和分析结构在静载荷作用下的应力、变形分布规律和屈曲模态，为其他方面的结构分析提供资料。

静强度分析的内容也可通过静力试验测定或验证。

主要采取先设计后分析最后试验验证的方法，可能需要反复几次修改和再分析，有些试验也可与分析交错进行。传统的静强度设计采用工程计算方法，习惯上称为强度计算方法。

飞行器结构强度计算的理论基础和一般结构强度计算的理论基础相同，有材料力学、弹性力学、结构力学、板壳理论、稳定理论等学科。但由于飞行器结构的特点，飞行器结构强度计算在方法上有以下一些基本特点。

①静载荷方法：飞行器的外载荷是复杂变化的，不是静态问题。在静强度研究中，是将各部分的惯性力比拟为静态外载荷。突然作用的动载荷虽然通常会引起结构较大的响应,但可以采用动载荷放大系数加以修正,仍可作为静载荷处理。

②设计载荷法：飞行器结构允许发生局部失稳和局部塑性变形，所以在强度校核中不采用一般机械设计中的许用应力法，而采用设计载荷法，其强度准则为：使用载荷和安全系数由强度规范规定。

③线（性）弹性方法：计算复杂结构在复杂载荷下的精确应力和进行变形分析是很困难的。静强度校核主要采用线弹性方法，对材料塑性和结构局部失稳的影响可用各种系数（如断面减缩系数，塑性系数）加以修正，在分析中还略去结构局部细节的变化（如铆钉孔、断面突变）。

静强度分析是工程结构设计中使用最为频繁的分析，主要用来求解结构在与时间无关或者时间作用效果可以忽略的静力载荷（如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等）作用的响应，并得出所需的位移、应力和应变能等。

风力发电机组结构件的静强度问题，实际是考察机组的关键结构件在使用当中承受最大作用载荷的能力，分析结构承受极端载荷时的最大应变、应力和位移，进而讨论该结构的强度和刚度问题。分析方法及准则是风力发电机组结构件强度校核中最基本的分析原则，是机组结构设计活动中首先考虑的基本要求。

考虑到不同的载荷工况会导致结构件的受力状态不同，因此，必须全面考察机组在运行中所遇到的各种载荷状态（或称工况）。同一载荷分量，静强度仅考虑最大载荷值即可。通常风力发电机组结构静强度分析依据相关规范给定的设计载荷法，即计算载荷必须包含安全系数γ_f。

根据求解问题的复杂程度，风力发电机组结构件的静强度分析方法可分为两类：工程计算方法和有限元计算方法。

对于某类结构件来说，其结构尺寸单一，受载条件简单，并且有权威机构颁布的工程算法实例做参照，则此类结构件的静强度分析可应用工程算法计算。例如，锥筒式塔筒筒段间螺栓连接的静强度分析等。

对于载荷复杂或结构复杂的一类结构件（例如，轮毂、底盘等），工程算法或者传统强度分析办法无法给出合乎规范要求的精确解，必须借助数值计算完成这类结构件的静强度分析。有限元法就是其中发展较为成熟的数值计算方法之一，是解决复杂力学问题的一个有效的工具。如上图1为有限元静强度分析的一般流程。

分析的一般流程

有限元静强度分析是求解近似解的过程，求解精度高度依赖建模策略，网格密度以及载荷或位移边界的施加方式，为保证计算结果安全可信，风力发电机组结构件的有限元静强度分析应满足下列基本原则。

建模及网格划分应遵循的原则

1）对于非重点考察区域的细小特征，例如圆孔、倒角、凸台等，在不影响整体刚度的前提下，可以适当简化；

2）采用构建相邻部件的部分模型（假体）的方法，增加模型的合理判别区域。结构件、假体模型的尺寸及其连接方式应与实际情况保持一致；

3）模型整体的网格规模和网格质量应适当，重点校验区域要加密网格，非重要的区域可适当增大网格尺寸，建议采用高阶单元划分模型；

4）对于呈现高应力状态、应力梯度变化较大的局部区域，要细分网格，追求高质量网格。建议出现高应力的倒圆特征至少划分三层单元；

5）含有对称结构特征的模型，可以考虑建立最小模型，降低计算复杂性。

施加载荷应遵循的原则

1）简化假设越少越好；

2）使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合；

3）如必须作简化处理时，必须忽略“不合理”简化的边界附近一定区域内的应力；

值得注意的是，在结构分析中，集中载荷通常是梁、杆和弹簧等非连续性的模型施加载荷的一种途径。对于由平面单元或者三维实体单元等组成的连续性模型，集中载荷意味着存在应力奇异点。在静强度分析中，如果不关心集中载荷作用节点处的应力，根据圣维南原理，可以用等效集中载荷代替静力分布载荷，添加在模型上，虽然这样做会对载荷附近的局部特性有影响，但对整个结构的性能影响并不大。

无论采用工程算法还是数值算法，最后的工作都要归结为：静强度校验。对于风力发电机组结构件的静强度分析来说，就是通过应力（位移）比较，以校核结构件是否满足强度和刚度的要求。具体的做法是筛选出最大应力（最大位移）的载荷情况，并对该情况下所产生的最大应力（位移）进行检验。