壓力容器是能源與動力行業(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，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度設(shè)計領(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產(chǎn)，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至影響社會生活的安定。因此，其強度設(shè)計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)，其強度設(shè)計理論是一個失效驅(qū)動的學(xué)科方向。19世紀(jì)早期，壓力容器的設(shè)計僅僅是一個類比成功經(jīng)驗選取壁厚的過程。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(AmericanSocietyofMechanicalEngineers，ASME)率先于1915年頒布了世界上部壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐建造規(guī)范》(ASMEⅠ卷)，首次提出基于彈性強度理論的設(shè)計理念，建立了面向靜態(tài)強度破壞模式的按規(guī)則設(shè)計方法(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)計方法(designbyanalysis)。隨著計算機(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，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)強度理論的特征，傳統(tǒng)彈塑性強度理論和設(shè)計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提出的時間相關(guān)許用應(yīng)力概念成為壓力容器蠕變設(shè)計的基礎(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。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)測理論方面，學(xué)者們相繼發(fā)展了時間分?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，時間相關(guān)失效評定圖、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價提供了新的工具。 《基于損傷模式的壓力容器設(shè)計原理》系統(tǒng)介紹了基于損傷模式的壓力容器設(shè)計原理與方法，系作者與10余位學(xué)生20余年來在高溫強度領(lǐng)域研究成果的凝結(jié)，同時融入了本領(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)計方法為主線，整體布局依照強度設(shè)計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，同時提供了針對相應(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)強度學(xué)和壓力容器設(shè)計領(lǐng)域研究的科研人員、研究生和設(shè)計工程師參考。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)和零部件的強度分析與壽命設(shè)計。尤其對航空航天、新一代核電裝備的強度設(shè)計與完整性評估，具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。