A2 · 失效模式与基于失效模式的设计准则

各位学员好，我们继续压力容器分析设计培训。上一单元 A1 我们建立了 GB/T 4732 的体系观，这一单元 A2 讲全课程的灵魂概念：失效模式。学完这单元你要做到三件事：第一，把六大失效模式按短期、长期、循环三大类准确归类，这是考试的高频考点；第二，说清失效模式和三条设计路线的对应关系，每条路线管哪几种失效；第三，理解全寿命周期的要求，标准没写到的失效，不等于不用管。带着这三个目标开始。

GB/T 4732.1 第4章失效模式，分三节展开，逻辑非常清晰。第一节，罗列分析设计容器建造中通常涉及的主要失效模式，释义原文强调：基于这些失效模式实现设计、选材和制造评定，是保证容器本质安全的基本前提，设计者必须高度重视。第二节，列出系列标准各部分具体考虑的失效模式种类，把基于失效模式的设计理念显性化，这一节就是我们后面路线选择的地图。第三节最容易被忽视：提醒设计者，标准不可能囊括所有工程问题，要在全寿命周期内统筹考虑可能出现的其他失效模式。所以正确姿势是：先识别失效，再分工，后补位。

现在上总览图。六大失效模式：塑性垮塌、局部过度应变、屈曲、疲劳、棘轮、泄漏。但考试更爱考的是分类口径，按载荷特征分三大类。第一类短期失效，一次加载过程中就可能发生，包括脆性断裂、韧性断裂、过量变形、屈曲。第二类长期失效，在高温或腐蚀环境里随时间累积，包括蠕变断裂、蠕变过量变形、蠕变失稳、腐蚀和磨蚀、环境助长断裂。第三类循环失效，交变载荷反复作用下损伤逐循环累积，包括棘轮、交替塑性、疲劳、环境助长疲劳。泄漏单列，它关注的是法兰等连接处介质泄漏或丧失其他功能，在法兰设计、密封结构设计的要求中考虑。给大家一个口诀：一次加载短期断，高温腐蚀长期慢，反复作用循环算，法兰密封管泄漏。

短期失效四兄弟，一个一个看。脆性断裂，最危险，低应力、无预警的突然断裂，控制手段是材料韧性、避免缺陷和低温脆化。韧性断裂和过量变形，是载荷超过承载能力后塑性变形失控，用塑性失效准则控制总体承载能力。屈曲要重点讲：薄壁容器承受外压或存在大范围压缩应力时，结构由稳定平衡翻转到失稳，第5部分为屈曲新增了三种设计方法，从线性屈曲到考虑几何非线性再到含初始缺陷的垮塌载荷法，一个比一个精确。防短期失效的抓手是应力控制和承载能力控制，比如防塑性垮塌时，一次总体薄膜当量应力SI的许用极限，等于K乘以设计温度下材料的许用应力。这里留个考点提示：屈曲属于短期失效，棘轮不属于，它是循环类。

长期失效模式，时间维度上的敌人，一共五种：蠕变断裂、蠕变过量变形、蠕变失稳、腐蚀和磨蚀、环境助长断裂。设计上有两条防线要记牢。第一条，温度划界：应力分类方法第4部分的理论基础不允许材料进入蠕变状态，所以它只适用于蠕变温度以下的工况；设计温度一旦进入材料蠕变温度范围，就必须按高温蠕变分析设计的规定开展分析设计，这个考点在A3还会展开。第二条，许用应力取值分界：第2部分材料表B.1到B.8里有一条粗实线，左侧由屈服强度抗拉强度控制，右侧由蠕变极限和持久强度控制。许用应力落在粗实线右侧时，蠕变的影响必须另行考虑。这两条防线在审图和考试里都常用。

循环失效四兄弟：棘轮、交替塑性、疲劳、环境助长疲劳。棘轮是新增的内容：循环载荷下塑性变形像齿轮一样一格一格往前赶，总体尺寸持续增大，最终失效。判据有三个：弹性核存在、无塑性应变、尺寸不再渐增，其中弹性核判据最直观，有限元后处理的当量塑性应变云图直接看。交替塑性，每个循环反向屈服，塑性应变方向反复交替。疲劳最熟悉：应力集中部位损伤累积、裂纹萌生、扩展、断裂，评定的入口是先看第4部分的疲劳评定免除准则，免除不了才做详细评定。最后说泄漏：它不是断裂类失效，在法兰设计、密封结构设计中考虑，注意它不在第5部分弹塑性分析的五种评定之列。

这一节把A2和A3串起来，是最有工程价值的对应网。第3部分公式法，管四种失效模式：塑性垮塌、屈曲、局部过度应变、泄漏，并明确交变载荷下结构是否安定。第4部分应力分类方法，管四种：塑性垮塌、局部过度应变、棘轮、疲劳，把弹性分析得到的应力分成Pm、PL、Pb、Q、F五类分别评定。第5部分弹塑性分析，管五种：塑性垮塌、局部过度应变、屈曲、疲劳、棘轮，正文第5章到第9章一一对应，唯独不含泄漏。还要记住一条规则：对同一受压元件的同一位置，同一个失效模式，第4部分和第5部分的评定方法二选一即可，不要重复评定。这张表建议截屏保存，考试和审图都好用。

失效模式背后是设计准则。弹性失效准则，认为一点屈服结构就失效，规则设计标准GB/T 150主要采用，简单安全，但把局部应力集中也一刀切限制，壁厚偏保守。塑性失效准则，认为整个截面进入塑性、形成塑性铰、达到极限承载状态才算失效，GB/T 4732采用的就是它，包括弹塑性失效准则也就是安定性。允许局部进入塑性，看的是极限承载能力，这就是分析设计能算得更精细、壁厚更省的理论根源。落到具体判据上，比如防塑性垮塌时一次总体薄膜当量应力SI不超过K乘许用应力，一次局部薄膜、一次薄膜加弯曲各有各的许用值，这些数值判据在第3部分和第4部分里成体系出现。

看两道平台现役题库的真题。第一道判断题：棘轮、交替塑性、疲劳以及环境助长疲劳均属于循环失效模式，对不对？对。这四种正是循环失效模式的完整清单，选正确。第二道单选题：下列属于短期失效模式的是，A蠕变断裂，B棘轮，C屈曲，D环境助长疲劳。逐项排除：蠕变断裂是长期失效，棘轮和环境助长疲劳是循环失效，屈曲是一次加载就可能发生的，属于短期失效模式，选C。做这类题的诀窍是先问载荷特征：一次加载、高温久用、还是反复循环？三问定类，再对号入座。

小结A2，一张网。一类分法：短期、长期、循环三类，加上单列的泄漏。一条对应网：公式法四种、应力分类四种、弹塑性五种，同一模式四五两法二选一。一条准则线：150的弹性失效准则，到4732的塑性失效准则，SI不超过K乘许用应力是基本盘。一个补位意识：标准未涵盖的失效模式，全寿命周期统筹加风险评估报告补位。课后完成讲义末尾三道自测题，再把题库失效模式类的一百四十四题刷一遍。下一单元A3解决路线选择：三条设计路线各自的适用条件、蠕变温度边界、精度与工作量的权衡，还有一张可操作的决策树。下节课见。