第1章 绪论
　　关于应力、应变和材料弹性的基本概念是在1660～1822年逐步形成的。胡克、伯努利、欧拉、库仑、柯西等著名科学家为此做出了重要的历史贡献。柯西在1822～1828年发表了一系列论文，明确提出了应变、应变分量、应力和应力分量等力学概念[1]。相关理论经过约200年的发展，经典的应力分析、计算应力分析及试验应力分析不断结合与深化，机械力学、土木建筑工程力学和地质力学等诸多力学学科持续扩展，特别是以有限元法为代表的计算固体力学高速发展[2]，极大地促进了应力及其相关概念的普及、应用及创新。
　　1.1 应力词汇面临的问题
　　承压设备设计相关技术中经常通过引入安全系数来调整结构材料的许用应力，有时也通过其他各种系数来调整特定结构在某种载荷工况下的应力许可极限值，以判断结构应力的计算结果是否可以通过校核。对结构应力和材料力学性能的认识越清楚，所需的安全系数越低，反之则所需安全系数越高。从这一关系来说，应力词汇面临的问题在一定程度上也是与安全系数间接相关的问题。
　　1.1.1 应力概念复杂化的现实性
　　1.力学理论体系的分支发展使同一物理量名称出现差异
　　从学术发展历史来看，严格而自由的学术理论研究先天地带有创新立异的冲动，名词概念可以在深化认识中进行适当修正，而对于事后通过项目运作来规范已流行的学科名词术语则显得力所不及，名词本身可以被规范，实际上却难以迭代。原全国自然科学名词审定委员会主任钱三强在《力学名词》[3]一书的序言中指出，统一我国的科技名词术语，是一项繁重的任务，它既是一项专业性很强的学术性工作，又涉及亿万人使用习惯的问题；审定工作中要认真处理好科学性、系统性和通俗性之间的关系，主科与副科之间的关系，学科间交叉名词术语的协调一致，专家集中审定与广泛听取意见等问题。
　　力学的基础部分是物理学的一部分，且和数学有着密切的联系；力学的应用部分则主要涉及工程技术学科。因此，力学发展中的名词术语问题很突出。仅就材料力学而言，关于应力与应变的数学定义并无歧义，只是名称上“各自为政”[4]，例如，物体内部任意剖面上某点的应力，就有剪应力与切应力，线应变与正应变，剪应变、切应变与角应变。由力的分解方向区分为作用面的法向分量与切向分量，由法向分量定义的内力集度称为正应力并无混乱，但切向分量对应的内力集度有剪应力与切应力两种名称。早期教材中均将其称为剪应力，其主要原因在于shear stress 与shear deformation都采用了同一单词shear。事实上，在扭转、弯曲基本变形模式中也存在该应力，应力的定义并不依赖于特定变形模式，所以采用变形模式的名称定义应力名称不甚合适。而切应力的名称体现了对应内力分量(或者应力分量)的方向，相对而言比较贴切。国家标准《力学的量和单位》(GB/T 3102.3—1993)[5]中规定的标准名称为切应力，这也是后期教材(包括改版教材)多采用切应力的原因。即将替代《钢制压力容器——分析设计标准(2005年确认)》(JB 4732—1995)[6]的国家标准《压力容器——分析设计第1部分：通用要求》征求意见稿(以下称为分析设计新标准修改稿)的目录中也把“剪应力”改称为“切应力”，同时，在正文关于“切应力”的定义中，增加了“切应力也称剪应力”的提法；将二次应力定义中的“剪应力”改称为“切应力”等。鉴于剪应力一词当前在多个学科中的应用，本书保留其作为一个等同于切应力的独立词汇概念。
　　弹性力学教材中规定，应力正负的符号体系可简单概括为“正面正向与负面负向为正，反之为负”，此规定对于正应力与切应力均适用。
　　由弹性力学体系定义的应力与应变符号体系中，正应力与正应变的符号与材料力学符号完全相同，但是切应力与切应变符号不同，表现在[4]：弹性力学体系中，切应力符号遵循正面正向与负面负向为正，反之为负，而切应变以直角变小为正；材料力学体系中，切应力以使微单元体顺时针转动为正，逆时针转动为负，而切应变以直角变大为正；除应力圆部分，材料力学教材采用弹性力学符号体系，包括采用二阶张量矩阵的坐标转换法则给出应力转轴公式，以及采用三阶实对称矩阵特征值问题分析主应力(特征值为主应力，特征向量为主方向)。材料力学的特色是分析方法和表现形式与工程应用密切相关，其中概念与结果的图像表征深入人心，应力圆部分也是重点内容。只要应力圆部分存在，材料力学教材就无法把弹性力学符号体系贯穿始终。关于弹性力学与材料力学中莫尔应力圆(Mohr stress cirde)(简称莫尔圆)理论概念的对应关系及其应用，可参见4.1.7节。
　　2.应力概念存在相互交织的依存惯性
　　概念的相互依存是指对某一应力概念的说明中经常需要引用另一个应力概念，这一方面反映新概念需要相关理论的支持，反映不同概念之间具有某些共同特性，也反映概念的非独立性或概念边界的模糊性，如果引用不当很容易混淆概念内容；另一方面暗示了其中隐匿着具有研究价值的概念体系，如果开发得当会加深对已有理论的认识，提升新概念的理论水平。
　　部分概念的相互依存是基于其中内容的共识来追求表达的简洁，这是值得肯定的；但是也有部分概念的相互依存是无意识的，有时是故意的、多余的，这是需要注意的。例如，关于名义应力的解释，“名义应力是指在并无结构不连续(包括总体及局部)处的应力，是由元件的基本理论计算所得的基准应力”，其中就指向“基准应力”这另一个应力概念。在上述名义应力的解释中，去掉“基准”一词不会对概念的理解造成不良影响。这与报道中偶见的应力概念混用现象是不同的，混用是无意识地涉及两个不同内涵的概念，却以为是同一个概念的两种表达，导致的结果可能是错误的，例如，“基准应力”与“基体应力”、“约束应力”与“约化应力”都是相互之间没有交集的不同概念；又如，“热点应力”与“热斑应力”、“热应力”或“点应力”与“集中应力”在概念上也是无关的。
　　平时，大多数人使用“应力”这个词时过于随意，会造成内容边界的模糊和概念的泛化，有可能妨碍交流者对其本质复杂性的认识。应力的影响因素，除了与应变和材料弹性有关，还与温度有关，温度既可以直接引起热应力，也可以通过材料性能随温度变化这一路径间接影响有关应力。大多数技术人员都需要在继续工程教育中理解和掌握部分应力词汇的概念内涵，并能在诸多同时具有关联性和差异性的应力词汇中准确无误地确定相关词汇的本质特点而加以利用。
　　随着人类社会的进步和科技的发展，“基础学科”内涵也会有所变化，但把它概括为人们通常说的“数理化天地生”仍然是比较准确的。数学很多分支学科的发展大都是为了表述力学行为而出现和发展的，典型的就是微积分的发明和完善[7]。从历史看，力学是其他基础学科发展的基础，而其他学科得到充分发展之后，又与力学进一步发展形成一系列的交叉学科，由此而来的概念相互交织是学科间的现象，有别于上述承压设备所在机械学科内部的概念相互交织现象，读者可在正文所摘录的全国科学技术名词审定委员会术语在线栏目关于应力词汇定义的例子中看到，这里就不展开讨论。
　　3.应力词汇的概念内涵在学科内生动力下的动态调适
　　专业词汇作为独*的表征符号，其技术语义具有高度浓缩的个性和一定的时代特色，其概念内涵常常体现一门学科的发展方向和学术前沿，一个专业的研究深度、技术方法和先进手段，也反映一个行业的工程困境和核心技术。除了不同学科内对同一应力词汇的概念定义不同之外，同一学科内对应力词汇的调适也具有多种表达方式。
　　词汇的扬弃或淘汰是极端的调整方式。在基于理论解释现实问题以及根据问题寻觅相关理论的研究中，可能碰撞出具有创新性甚至颠覆性的新专题，从而有新词汇的提出或倡导应用，这是较为强烈的一种调整。
　　词汇概念的孪生成组是较为一般的调和诉求，是新名词无法替代原有名词情况下的累积效果，同一专题下的新词汇反映了技术理论的拓展，可通过一系列具有某种应力共性的内容来表达归属于同一专题的基础，再依据拓展的个性来构建概念新的部分。其中的近义词组给读者的第一感觉就是似而有别，类而不同，近义词组的字面差别与新的概念交互印证其中的个性，就包含学科调适，已经被业内认可。
　　同一应力词汇的名称不变而内涵微调是较为自然的调节诉求，有时这种情况不过是从主观上对某一现象获得更深刻认识，或者是应用在不同的研究对象时进行更加灵活的表达。
　　可见，随着设备理论和工程的发展，词汇概念自身也在发展。从已有的变化历程看，应力词汇的调适内容较零碎，调适周期较长，调适力度较弱，调适动态不明显。这种动态虽然存在但是相当低调，尚未能上升为一个鲜明的特色，调适仅增添了概念的复杂性。一般的研究者个体在其整个有限的学术生涯中对这些调适动态几乎毫无觉察。
　　1.1.2 应力概念信息化的规范性
　　1.承压设备的创新发展使复杂化的应力概念亟待规范
　　18世纪从英国发起的技术革命是技术发展史上的一次巨大革命，它开创了以机器代替手工劳动的时代，它以工作机的诞生为开始，以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志，被称为第一次工业革命或者产业革命。为了维护蒸汽机的正常运行，产生蒸汽的锅炉、输送蒸汽的管道和储存蒸汽的汽缸组成了早期承压设备的主要类型。
　　人类发现和利用石油、天然气已有几千年的历史，但石油形成一门工业，只有100多年。石油作为高质量的能源、多用途的宝贵化工原料，在国民经济各部门被迅速广泛地利用，引起了世界消费能源结构的巨大变化。1859年，美国人德雷克在宾夕法尼亚州钻成第一口具有现代工业意义的油井——德雷克井，这标志着近代石油工业的开始。*初的石油工业发展可以分为两个时期。一个是1860～1900年的煤油时期，煤油的主要用途是照明和民用燃料。19世纪60～70年代，美国石油工业从勘探、开采、炼制加工、储运到销售，已经形成了完整的产业链并迅速发展起来。另一个是20世纪初，石油成为内燃机的主要动力，人类的石油利用终于从煤油时期进入汽油时期(动力时期)。石油产业链中使用的换热器、蒸馏塔、反应器和储罐等组成了发展期承压设备的主要类型，这些设备名称使用至今。
　　随着社会经济的发展，石油炼制拓展到石油化工。化肥工业、煤化工业、能源工业和其他化学工业的发展进一步丰富了承压设备家族，锅炉、压力容器和压力管道三大类*终被确定为承压设备的主要类型，每一大类又可以分为若干小类。有些新工艺的压力容器在结构上体现了传统压力容器与其他钢结构一体化的特点。
　　组合环管式反应塔结构就是一种集钢结构框架、反应容器和压力管道于一体的特种设备[8]，它用于采用料浆法工艺生产聚丙烯/聚乙烯，包括若干条高达50～60m的直套管、在水平方向连接夹套的连通管、连接两条直套管内管端口的180°回弯头以及连接两条直套管外管的多层连接横梁。内管规格约为609mm，外夹套管规格约为700mm，两者的壁厚则从底部到顶部逐渐减薄，180°回弯头两个端部开口的中心距通常为4200mm。其中，每两条直套管于其内管端口与两个弯头一一对应依次串联连接成一个上下反复盘绕的连通流道。在直套管内管流动的是反应介质，因聚合反应为放热反应，会产生大量热量，故设置直套管的外夹套作为冷却水的流道，并通过外夹套连通管将夹套流道也一一对应依次串联连接成一个连通流道，外夹套管上还设置波形膨胀节、安装支座和支梁座，连接横梁通过螺栓与支梁座连接，把直套管连接组合成一个立体框架的钢结构。此外，有原料进口的直套管底部的内管端口还与大功率轴流泵相接。由此可见，环管反应器属于特种结构[9]，是多基础支承立式管柱钢结构形夹套容器，同时具有反应和换热功能，如图1.1所示。
　　图1.1 某石化装置30万吨/年聚烯烃环管反应器
　　另一个*新的案例是某燃煤烟气高温脱硝反应器，其基本结构由烟气入口段、催化反应主体和烟气出口段三部分组成，长×宽×高的尺寸约为8m×9m×19.2m，主要由梁、柱、加强筋和壁板等连接而成，总体结构与局部不连续，其应力分布和

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 应力词汇面临的问题 1
1.1.1 应力概念复杂化的现实性 1
1.1.2 应力概念信息化的规范性 4
1.1.3 应力概念系统化的资源需求 8
1.2 应力及安全系数的本质作用 11
1.2.1 应力及安全系数的作用 11
1.2.2 应力的影响因素 14
1.3 应力和安全系数词汇的梳理方法 20
1.3.1 词汇的分类及选取 20
1.3.2 词汇的联系及体系 23
参考文献 28
第2章 内涵特性的应力概念 31
2.1 应力的理论性 32
2.1.1 正应力、径向正应力、环向正应力、轴向正应力和复合正应力 32
2.1.2 切应力、径向切应力、环向切应力、黏性切应力、平均剪应力、*大剪应力和主剪应力 33
2.1.3 主应力、*大主应力、中间主应力、*小主应力和平均主应力 36
2.1.4 静水应力和平均法向应力 40
2.1.5 全应力和斜面应力 41
2.1.6 外加应力、内应力和内聚应力 44
2.1.7 体积应力、八面体应力和体积平均应力 46
2.1.8 偏应力和主偏应力 49
2.1.9 薄膜应力和薄膜内力 50
2.1.10 弹性应力、塑性应力和弹塑性应力 51
2.2 应力的成因性 55
2.2.1 载荷应力和机械应力 55
2.2.2 内压应力和外压应力 56
2.2.3 振动应力和摩擦应力 57
2.2.4 扭转应力、离心应力、弯曲应力和挠曲应力 58
2.2.5 错配应力、掺入体应力、基体应力和基底应力 60
2.2.6 热应力、温度应力、焊接应力、焊接热应力和焊接残余应力 61
2.2.7 化学应力、物理应力、诱导应力和生长应力 68
2.3 应力的工程性 69
2.3.1 拉应力、压应力、挤压应力、承载应力、支承应力和成偶压应力 69
2.3.2 相变应力、收缩应力、拘束应力、约束应力、回热应力、铸造应力和干涉应力 75
2.3.3 装配应力、安装应力、控制应力和目标应力 76
2.3.4 公称应力、公称应力幅、正常应力、标准应力和规范应力 78
2.3.5 屈服应力和抗拉应力 81
2.3.6 伸长应力、比例伸长应力、规定总伸长应力、规定残余伸长应力、规定非比例伸长应力和定伸应力 82
2.3.7 计算应力、设计应力、设计应力强度和公称设计应力 83
2.3.8 试验应力、预测应力和冻结应力 84
2.3.9 操作应力、运行应力、工作应力和介质应力 85
2.3.10 强化应力、刚化应力和应力硬化 85
2.3.11 预应力、温预应力、套合应力和缩合应力 86
2.3.12 环境应力、加速应力、正常应力和实际应力 90
2.3.13 中性应力、土体应力、地应力和混凝土应力 90
2.4 应力的安全性 91
2.4.1 外加应力、安全应力和危险应力 91
2.4.2 许用应力、基本许用应力、许用切应力、许用临界压应力、临界许用压应力、许用弯曲应力、临界压缩应力和许用薄膜应力 92
2.4.3 材料许用应力、结构许用应力、热应力的许用应力和组合许用应力 95
2.4.4 弹性许用应力、塑性许用应力、蠕变许用应力和断裂许用应力 98
2.4.5 设计应力强度、许用应力强度、组合许用应力强度和许用设计应力 99
2.4.6 极限应力、单位应力、极限单位应力、临界应力、开裂应力、门槛应力和临界应力强度 102
2.4.7 屈曲应力 105
2.4.8 失效应力、失稳应力、垮塌应力、断裂应力、破坏应力和爆破应力 107
2.4.9 设计标准的应力分类 109
2.4.10 自限应力和补偿应力 114
参考文献 114
第3章 表观特性的应力概念 122
3.1 应力的分布性 123
3.1.1 整体应力和局部应力 123
3.1.2 均匀应力、均化应力、梯度应力和应力修匀 124
3.1.3 分散应力、应力集中、不连续应力和偏心应力 125
3.1.4 点应力、面应力、截面平均应力、高斯点应力、节点应力和单元应力 129
3.1.5 基本应力、基准应力和无量纲应力 134
3.1.6 远场应力、近场应力、近源应力、远源应力、根部应力、边缘应力、一步应力和两步应力 137
3.1.7 边界应力、非自由边界应力和自由边界应力 139
3.1.8 有限元应力(皮奥拉-基尔霍夫应力、任意点应力、切面应力、相对应力、膜面应力) 140
3.1.9 解析解应力与检测应力 142
3.2 应力的方位性 142
3.2.1 周向应力、静压应力、圆周应力、切向应力、环向应力和横向应力 142
3.2.2 轴向应力、经向应力、纵向应力和纬向应力 145
3.2.3 内壁应力、外壁应力、表面应力和径向应力 146
3.2.4 多向应力、多轴应力、单轴应力、双轴应力、轴对称应力、双轴应力比和三轴应力度 147
3.2.5 应力线、应力曲面、应力云图、应力场、应力椭球和应力椭圆 150
3.2.6 T应力、广义T应力和垂直应力 156
3.3 应力的组合性 157
3.3.1 单向应力、组合应力、综合应力、总应力和应力总值 157
3.3.2 分部应力、叠加应力和要素应力 159
3.3.3 应力张量、应力矢量、球应力、偏应力和背应力 160
3.3.4 应力分量和应力不变量 163
3.4 应力的状态性 165
3.4.1 应力状态和复杂应力 165
3.4.2 位移应力、持续应力、形变应力、膨胀应力、管道应力和管系应力 165
3.4.3 稳定应力、变化应力、波动应力、稳态应力、瞬态应力、固定应力、平衡应力和自平衡应力 167
3.4.4 静应力和动应力 169
3.4.5 平台应力和动态应力 170
3.4.6 奇异应力和应力奇异 171
3.4.7 满应力、饱和应力、过载应力和超应力 171
3.4.8 高应力和低应力 172
3.4.9 蠕变应力、有效蠕变应力、松弛应力、等效蠕变应力和单轴蠕变试验应力 173
参考文献 176
第4章 量化特性的应力概念 183
4.1 相当应力主题 184
4.1.1 相当应力和当量应力 185
4.1.2 当量载荷的应力、当量主应力、当量名义应力和折算应力 187
4.1.3 有效应力、表观应力和净应力 190
4.1.4 塑性等效应力、等效应力、等时应力、等应力和等效力 192
4.1.5 当量结构应力 195
4.1.6 当量线性应力、线性化应力、线性应力和非线性应力 196
4.1.7 应力的转换和转化 198
4.2 应力强度主题 206
4.2.1 强度理论及其应力 206
4.2.2 应力组合及其强度极限值 207
4.2.3 屈服强度、抗拉强度、持久强度、蠕变强度和抗压强度 208
4.2.4 应力系数、应力参数、应力指数、应力因数和应力常数 210
4.3 疲劳分析主题 214
4.3.1 疲劳应力、扰动应力和疲劳强度 214
4.3.2 平均应力、脉动应力和谷值应力 218
4.3.3 应力类型和应力参量 221
4.3.4 虚拟应力、虚拟应力幅、虚拟临界应力、虚假应力和虚应力 222
4.3.5 对比应力、约化应力和归一化应力 224
4.3.6 交变应力、重复应力、反复应力、完全反向应力、当量交变应力和反向应力 225
4.3.7 核应力、变形可能应力和静力可能应力 226
4.3.8 应力比 228
4.4 名义应力主题 231
4.4.1 名义应力、弹性名义应力和弹性计算应力 231
4.4.2 名义应力幅 232
4.4.3 真应力和伪应力 233
4.4.4 特殊应力、特征应力、表征应力、代表应力和修正应力 235
4.5 残余应力主题 236
4.5.1 残余应力 237
4.5.2 宏观应力和微观应力 239
4.5.3 偶应力、斜截面应力和拉格朗日应力 241
4.6 参考应力主题 244
4.6.1 参考应力 244
4.6.2 流变应力、局部流变应力和动态屈服应力 248
4.6.3 静态流动应力和动态流动应力 252
4.6.4 外加应力、加载应力和阈值应力 254
4.6.5 初应力和初始应力 254
4.6.6 附加应力、雷诺应力、黏性应力 254
4.6.7 主要应力和次要应力 256
4.6.8 广义应力、二维应力和三维应力 257
4.7 概念发展主题 259
4.7.1 综合分析主题 259
4.7.2 屈服理论的发展及应力新概念 259
4.7.3 应力概念及词汇的发展 264
参考文献 266
第5章 结构特性的应力概念 275
5.1 典型情况的应力分类 276
5.1.1 常见典型结构及典型载荷的应力 276
5.1.2 典型应力分类表及特殊结构应力的解读 282
5.1.3 典型结构应力许可值 286
5.2 复合结构的特殊应力 288
5.2.1 焊接衬里筒体的特殊应力 289
5.2.2 多层复合筒体的特殊应力 290
5.2.3 材料复合结构的特殊应力 292
5.2.4 结构组合的特殊应力 295
5.2.5 异形容器的应力 297
5.3 结构成形的特殊应力 298
5.3.1 壳体成形的特殊应力 298
5.3.2 壳体表层的特殊应力 301
5.3.3 管件成形的特殊应力 302
5.4 常见结构非典型热应力 309
5.4.1 换热器的特殊热应力 309
5.4.2 反应器的特殊热应力 312
5.4.3 锅炉系统的特殊热应力 316
5.4.4 板壳的特殊热应力 319
5.5 一次结构与二次结构上的应力 320
5.5.1 基于一次结构法的挠性管板强度计算 321
5.5.2 一次结构法案例分析思路 323
5.5.3 内压作用下的一次应力计算及校核 325
5.5.4 内压作用下的二次应力计算及校核 328
5.5.5 计算及分析方法小结 331
参考文献 334
第6章 关于安全系数的认识 339
6.1 压力容器设计与安全系数 339
6.1.1 压力容器应力分析设计法和规则设计法的比较 339
6.1.2 安全系数的影响因素 341
6.2 安全系数的定义 342
6.2.1 安全系数的范畴及定义方法 342
6.2.2 各种工程系数与安全系数 343
6.3 安全系数的依据 346
6.3.1 压力容器安全系数 347
6.3.2 机械设计安全系数 349
6.4 对安全系数作用的正确认识 349
6.4.1 安全系数的作用 350
6.4.2 对安全系数存在问题的认识 351
6.5 安全评价理论和方法的发展 354
6.5.1 国际上的研究 354
6.5.2 安全理论的发展 355
参考文献 358
第7章 安全系数的分类 360
7.1