第四章 压力容器 - 兰州石化职业技术学院精品课程建设专题网.ppt

第二章 中低压容器设计 目 录 第一节 旋转壳体的应力分析 一、旋转壳体的基本概念 ◆ 旋转壳体的形成及几何特征 ● 旋转曲面 任意平面曲线绕同平面内某已知的直线旋转而成的曲面称为旋转曲面。这一已知的直线称为旋转轴，绕其旋转的平面曲线称为母线。 ● 旋转壳体 以旋转曲面为中间面的壳体称为旋转壳体。 ● 中间面 与旋转壳体内外表面等距的曲面称为中间面。 ● 第一曲率半径 经线上任一点的曲率半径就是旋转壳体在该点的第一曲率半径，用r1表示。r1 =K01，O2为第一曲率中心。 ● 第二曲率半径 用过K点并与经线在K点的切线垂直的平面切割中间面，所得交线为一曲线，此曲线在K点的曲率半径称为旋转壳体在该点的第二曲率半径，用r2表示。r2=KO2，O2为第二曲率中心。 ● 平行圆及其半径 用垂直旋转轴的平面过K点切割中间面，所得交线为一个圆，此圆称为旋转壳体在该点的平行圆。该圆的半径称为旋转壳体在该点的平行圆半径，用r表示。r=KO= r2sinφ。 ◆ 典型壳体的第一、第二曲率半径及平行圆半径 ● 圆筒形壳体 设壳体中间面半径为R，由于经线为直线，故r1=∞；与经线的切线垂直的平面、也就是与旋转轴垂直的平面，其切割中间面形成的曲线就是平行圆，所以 r2= r= R。 ● 球形壳体 设壳体中间面半径为R， 由于经线为半圆曲线，与经 线垂直的平面就是半径所在 的平面，故第一、第二曲率 中心重合，第一、第二曲率 半径都等于球壳中间面半径 为R，K点的几何参数为： r1= r2 =R ； r= r2sinφ= R sinφ。 ● 锥形壳体 设锥壳的半顶角为。则经线是与旋转轴夹角为的直线，K点的几何参数为：r1=∞；r2=xtanα； r= r2cosα. 二、无力矩理论及应用 ◆ 无力矩理论的概念 旋转壳体在内压力作用下发生变形，在壳壁中产生拉应力和弯曲应力，当壳体的径比K=Do/Di≤1.2时，为了简化计算，常忽略弯曲应力而只考虑拉应力的影响，这对一般的工程设计有足够的精度。这种分析问题的方法称为“无力矩理论”，由此求得的旋转壳体中的应力称为“薄膜应力”。 ◆ 无力矩理论的基本方程 微体平衡方程 区域平衡方程 当壳体只受气体压力作用时，由于气体密度很小、其静压力随壳体位置的变化很小，所以可近似认为 与 无关 。可得 ◆ 受气体压力作用典型壳体的薄膜应力 ● 圆筒形壳体 ● 球形壳体 ● 锥形壳体 三、有力矩理论及边缘问题 ◆ 无力矩理论的适用范围 壳体曲率半径的变化是连续的、无突变，壳体的厚度也无突变； 构成同一壳体材料的物理性能（E、μ等）是一致的； 作用在壳体上的外载荷是连续的，没有突变或集中载荷作用； 壳体边界处只有沿经线切线方向的约束，而经线的转动和法向位移均不受约束。 以上只要有一条不满足，就不能应用无力矩理论，而应按有力矩理论进行分析。 ◆ 有力矩理论的概念 考察受力平衡、几何变形、应力应变关系等方面，建立各量之间的关系式，再结合边界和变形协调条件，求出各种应力，这种方法称为有力矩理论。 ◆ 边缘问题 ● 边缘及边缘应力 在壳体上不满足无力矩理论应用条件的部位称为连接边缘，在边缘处壳体相互之间产生的约束力称为边缘应力。 ● 常见的连接边缘 壳体与封头的连接处。 直径和材料相同但壁厚不同两壳体的连接处。 壳体上有法兰、接管等部位。 壳体上有集中载荷、或边界法向有约束的部位。 不同材料制造的同直径和同壁厚圆筒的连接处等。 ● 边缘应力的特点 局部性 自限性 ● 边缘应力在工程设计中的考虑 ＊ 对于塑性较好的低碳钢、奥氏体不锈钢，以及铜、铝等有色金属材料制成的壳体，当承受静载荷时，一般可以不对边缘应力特殊考虑或具体计算。 对于塑性很差的脆性材料制造的容器壳体，必须充分考虑边缘应力的影响，正确计算边缘应力并按应力分类的设计规范进行验算，否则，将在边缘高应力区导致脆性或疲劳破坏。 ＊由于边缘应力具有局部性，在设计中可以进行局部处理。 ＊ 用高强度、低塑性的低合金钢材料制造容器壳体时，在连接焊缝处及其热影响区，材料容易变脆，并使该局部区域产生很高的局部应力。因此，在焊缝区域要采取焊后热处理以消除热应力；另