壓力容器是能源與動(dòng)力行業(yè)的核心設(shè)備之一，廣泛用于石油化工、電力、航空航天等國民支柱產(chǎn)業(yè)。隨著新一代核電、超超臨界火電等行業(yè)設(shè)備的高溫高壓、大型化、長壽命等極端化趨勢(shì)，以蠕變、疲勞、棘輪與屈曲等為代表的復(fù)雜損傷機(jī)理和復(fù)雜失效模式成為壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)。 圖壓力容器技術(shù)發(fā)展的里程碑 壓力容器是隨著次工業(yè)革命和瓦特蒸汽機(jī)的誕生，尤其是隨后的“三酸兩堿”、石油化工及核電工業(yè)等的發(fā)展而獲得廣泛應(yīng)用的重要裝備，常常涉及高壓、腐蝕、劇毒、放射性等危險(xiǎn)介質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏、爆炸等破壞性事故，往往危及人們的生命財(cái)產(chǎn)，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至影響社會(huì)生活的安定。因此，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論和壽命可靠性分析一直是領(lǐng)域前沿和關(guān)鍵課題。 作為壓力容器技術(shù)的核心基礎(chǔ)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論是一個(gè)失效驅(qū)動(dòng)的學(xué)科方向。19世紀(jì)早期，壓力容器的設(shè)計(jì)僅僅是一個(gè)類比成功經(jīng)驗(yàn)選取壁厚的過程。然而頻繁的爆炸事故和大量人員傷亡，促使美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(AmericanSocietyofMechanicalEngineers，ASME)率先于1915年頒布了世界上部壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐建造規(guī)范》(ASMEⅠ卷)，首次提出基于彈性強(qiáng)度理論的設(shè)計(jì)理念，建立了面向靜態(tài)強(qiáng)度破壞模式的按規(guī)則設(shè)計(jì)方法(designbyrule)。 20世紀(jì)40～50年代，塑性力學(xué)、板殼理論等基礎(chǔ)學(xué)科的出現(xiàn)，以及英國“彗星”號(hào)噴氣機(jī)等多起低周疲勞引發(fā)的災(zāi)難事故，使人們認(rèn)識(shí)到薄膜應(yīng)力、邊緣應(yīng)力等不同類型的應(yīng)力在導(dǎo)致失效后果方面存在顯著差異，進(jìn)而提出了以應(yīng)力分類為基礎(chǔ)的分析設(shè)計(jì)方法(designbyanalysis)。隨著計(jì)算機(jī)、有限元技術(shù)及核能工業(yè)的誕生，促成了以美國ASMEⅢ卷、Ⅷ-2卷等為代表的現(xiàn)代分析設(shè)計(jì)技術(shù)的建立，標(biāo)志著面向彈塑性和疲勞等多損傷模式分析設(shè)計(jì)路線的形成。 20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)和資源、環(huán)境問題凸顯，壓力容器相關(guān)的工藝過程日益呈現(xiàn)出高溫高壓、重載、復(fù)雜環(huán)境、復(fù)雜介質(zhì)和長壽命服役等極端化趨勢(shì)，由此導(dǎo)致蠕變、疲勞、棘輪、屈曲、蠕變-疲勞耦合、輻照損傷等諸多損傷模式成為壓力容器強(qiáng)度分析和壽命保障面臨的新挑戰(zhàn)。漸進(jìn)性變形、低應(yīng)力破壞及幾何非線性、時(shí)間相關(guān)本構(gòu)等新的現(xiàn)象構(gòu)成了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論的特征，傳統(tǒng)彈塑性強(qiáng)度理論和設(shè)計(jì)理念已難以支持新工藝、新裝備的需求。 面向上述新的損傷模式和失效問題，人們開展了長期卓有成效的基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究。例如，1963年Brister和Leyda提出的時(shí)間相關(guān)許用應(yīng)力概念成為壓力容器蠕變?cè)O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；1967年，Bree博士建立了基于安定極限理論的Bree圖，被美國ASME標(biāo)準(zhǔn)、法國RCC-MRx規(guī)范等采納為安定性分析的基本技術(shù)；1968年，Sim博士提出了基于極限分析的參考應(yīng)力，已成為歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN13445、ASME標(biāo)準(zhǔn)直接分析法的基礎(chǔ)；1972年，Blackburn以蠕變理論為基礎(chǔ)提出了等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的概念，成為ASMEⅢ-NH等標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于松弛、棘輪強(qiáng)度分析的核心方法；1987年，Boyle等完善了彈性跟隨效應(yīng)和因子，成為高溫結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位強(qiáng)度分析的重要基礎(chǔ)。 此外，蠕變-疲勞耦合損傷分析是本領(lǐng)域的另一熱點(diǎn)。在本構(gòu)理論方面，學(xué)者們相繼提出了分離型黏塑性本構(gòu)、Chaboche黏塑性本構(gòu)、Ohno-Wang黏塑性本構(gòu)、損傷耦合統(tǒng)一黏塑性本構(gòu)等，以期更加精準(zhǔn)地獲得結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，但由于參數(shù)多、計(jì)算復(fù)雜，目前仍難以滿足工程推廣應(yīng)用的需求。在壽命預(yù)測(cè)理論方面，學(xué)者們相繼發(fā)展了時(shí)間分?jǐn)?shù)模型、頻率修正模型、應(yīng)變范圍劃分模型、韌性耗竭模型等，但在實(shí)際應(yīng)用方面仍存在較多局限，以Palmgren-Miner為代表的線性累積律仍被ASMEⅢ-NH、RCC-MRx等標(biāo)準(zhǔn)廣為采用。在時(shí)間相關(guān)斷裂理論方面，近年來相繼發(fā)展了蠕變斷裂參量、蠕變拘束模型、多裂紋蠕變干涉及多組元斷裂等新的理論模型。此外，時(shí)間相關(guān)失效評(píng)定圖、蠕變-疲勞雙判據(jù)圖等技術(shù)也相繼完善，為解決蠕變-疲勞等復(fù)雜條件下的壽命分析與評(píng)價(jià)提供了新的工具。 《基于損傷模式的壓力容器設(shè)計(jì)原理》系統(tǒng)介紹了基于損傷模式的壓力容器設(shè)計(jì)原理與方法，系作者與10余位學(xué)生20余年來在高溫強(qiáng)度領(lǐng)域研究成果的凝結(jié)，同時(shí)融入了本領(lǐng)域國內(nèi)外科學(xué)家的大量成果和進(jìn)展。在撰寫過程中，以高溫壓力容器的損傷模式和設(shè)計(jì)方法為主線，整體布局依照強(qiáng)度設(shè)計(jì)中考核不同失效判據(jù)的遞進(jìn)邏輯關(guān)系；在內(nèi)容和敘述方式上，依照每一損傷模式的演化機(jī)理、理論模型、應(yīng)用方法和技術(shù)原理的順序展開，同時(shí)提供了針對(duì)相應(yīng)損傷模式和依據(jù)規(guī)范技術(shù)的工程案例解析，體現(xiàn)了從原理、方法到應(yīng)用的順序。 本書可供從事機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)和壓力容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的科研人員、研究生和設(shè)計(jì)工程師參考。本書的主要研究成果已在相關(guān)國內(nèi)外期刊發(fā)表，部分成果獲得了軟件注冊(cè)和。研究方法具有一定的通用性，可以推廣用于其他機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件的強(qiáng)度分析與壽命設(shè)計(jì)。尤其對(duì)航空航天、新一代核電裝備的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與完整性評(píng)估，具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。