平板封头与椭圆形封头应力测定及其分析毕业论文.doc

平板封头与椭圆形封头应力测定及分析摘 要压力容器是内部或外部承受气体或液体压力、并对安全性有较高要求的密封容器。椭圆形封头和平板封头容器的应力分布情况先从理论上分析了并采用电测法测量其应力，结合ANSYS有限元分析方法进行比较讨论。 应力分析的目的就是求出结构在承受载荷以后，结构内应力分布情况，找出最大应力点或求出当量应力值，然后对此进行评定，以把应力控制在许用范围以内。经过此次实验并将实验数据与ANSYS有限元法分析所得到的数据进行了对比，得到了以下的分析结果：在实际测得数值与理论数值有些不一样，一些点的误差比较大，实验测得数据与ANSYS所得到的数据相接近。关键词：压力容器；平板封头；椭圆形封头；应力分析；ANSYS有限元法ABSTRACT Pressure vessel is internal or external to gas or liquid pressure, and the security requirements of a sealed container. Analyses the stress distribution in the ellipse head and Flat head containers theoretically,and measures the stress by electrical measurement method,then carries on compare and discuss by combining ANSYS finite element analysis method. The purpose of stress analysis is to find out the structure load, the structure, the stress distribution of the greatest stress or equivalent to stress the value,then this assessment, to put the stress in a control within. after the experiment and experimental data and ansys the finite-element method analysis of data in contrast, the following analysis results ：experimental and theoretical values measured there are some differences，the error of some points are relatively large the experimental measured results obtained in good agreement with ANSYS.Keywords:Pressure vessel；Flat head；Ellipse head；Stress analysis；Using the ANSYS finite element metho目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 压力容器的结构11.1.1压力容器典型组成11.2 压力容器主要分类31.2.1 按介质危害性分类31.2.2 压力容器分类41.3 世界压力容器规范标准61.3.1 国外主要规范标准简介71.3.2 国内主要规范标准简介9第二章 椭圆形封头与平板封头的应力分析并计算122.1 载荷分析122.1.1载荷122.1.2载荷工况142.2 椭圆形封头的应力分析并计算142.2.1 回转薄壳的不连续分析152.2.2 无力矩理论的基本方程162.2.3薄壁圆筒理论计算公式推导192.2.4 椭圆形封头理论计算公式推导202.2.5理论计算并分析已知椭圆形封头的应力222.3 平板封头应力分析232.3.1 概述232.3.2 圆平板对称弯曲微分方程242.3.3 圆平板中的应力282.3.4理论计算并分析已知圆平板封头的应力32第三章 实验法进行封头的应力测定及分析343.1 电测法测定封头应力343.1.1 电测法的目的、原理及要求343.1.2实验前装置及仪器准备363.1.3 实验步骤363.1.4 电测法实验结果363.1.5 理论计算与实验结果对比并分析38第四章 有限元法对封头进行应力分析424.1 ANSYS有限元分析简介424.1.1 ANSYS软件提供的分析类型424.2 ANSYS对已知平板封头应力分析434.2.1 ANSYS对已知平板封头应力分析步骤434.3 ANSYS对已知椭圆形封头应力分析结果51第五章 数据处理及误差分析555.1对椭圆形封头和平板封头的数据处理555.2将计算法、实验法、有限元法的结果进行对比并进行误差分析56第六章 结论57参考文献58致 谢59第一章 绪论1.1 压力容器的结构1.1.1压力容器典型组成 一般来说压力容器是典型的由板、壳组合而成的焊接结构。受压元件中，圆柱形筒体、球罐（或球形封头）、椭球形封头、蝶形封头、球冠形封头、锥形封头和膨胀节所对应的壳分别是圆柱壳、球壳、椭球壳、球壳+环壳、球冠、锥形和环形板（外半径与内半径之差大于10倍的厚板）、环（外半径与内半径之差小于10倍的板厚）以及弹性基础圆平板。上述7种壳和4种板可以组合成各种压力容器结果形式，再加上密封元件、支座、安全附件等就构成了一台完整的压力容器。图1-1 压力容器总体结构 1-法兰；2-支座；3-封头拼接焊缝；4-封头；5-环焊缝；6-补强圈；7-人孔；8-纵焊缝；9-筒体；10-压力表；11-安全阀；12-液面计（一）筒体 压力容器的筒体是储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。内直径和容积由工艺确定。筒体形式有圆柱筒体和球形筒体。 一般筒体直径较小（一般小于500mm）时，圆筒可用无缝钢管制作，此时筒体上没有纵焊缝；直径较大时，可用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在水压机上压制成两个半圆筒，再用焊缝将两者焊接在一起，形成整圆筒。由于该焊缝的方向和圆筒的纵向（即轴向）平行，因此称为纵向焊缝，简称纵焊缝。若容器的直径不是很大，一般只有一条纵焊缝；随着容器直径的增大，由于钢板幅面尺寸的限制，可能有两条或者两条以上的纵焊缝。另外，程度较短的容器可直接在一个圆筒的两端连接封头，构成一个封闭的压力空间，也就制成了一台压力容器外壳。但当容器较长时，由于钢板幅面尺寸的限制，就需要先用钢板卷焊成若干段筒体（某一段筒体简称为一个筒节），再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。筒节与筒节之间、筒节与端部封头之间的连接焊缝，由于其方向与筒体轴向垂直，因此称为环向焊缝，简称环焊缝。圆筒按其结构可分为单层式和组合式两大类。（二）封头 封头的作用是与筒体等部件形成封闭空间。封头根据不同形状可分为凸形、锥形、和平盖，其中凸形又分为球形、椭圆形、碟形和球冠形。封头与筒体根据工艺要求不同有两种连接方法：一是不可拆（直接焊接），另一是为可拆式（螺栓法兰连接），可拆连接因不同情况有不同的密封要求。（三）密封装置泄漏是常见的一种压力容器失效形式。除去封头与筒体之间的可拆连接需要密封装置外，容器的接管与外部按管的连接、人孔与手孔、视孔等的连接。压力容器主要联接方法是螺栓法兰连接(简称法兰连接)，用于容器连接的法兰称为容器法兰，用于管道连接的为管法兰。螺栓法兰连接(简称法兰连接)是一种应用最广的密封装置，它的作用是通过螺栓连接，并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰；用于容器封头(或顶盖)与筒体间，以及两筒体间连接的法兰叫容器法兰；用于管道连接的法兰叫管道法兰。在高压容器中，用于顶盖和简体连接并与简体焊在一起的容器法兰，又称为筒体端部。（四）开孔和接管几乎所有的开孔会导致强度减弱，故应少开孔并考虑作开孔补强设计。开孔主要是根据工艺和检修的要求而设置的各种管口，如物料的进出口、压力计表口、测温口、液面计孔、人孔、手孔等等。手孔和人孔是用来检查、装拆和洗涤容器内部的装置。手孔内径要使操作人员的手能自由地通过，因此，手孔的直径一般不应小于150mm。考虑到人的手臂长约650-700mm，所以直径大于1000mm的容器就不宜再设手孔，而应改设人孔。常见的人孔形状有圆形和椭圆形两种。为使操作人员能够自由出入，圆形人孔的直径至少应为400mm，椭圆形人孔的尺寸一般为。 筒体或封头上开孔后，开孔部位的强度都会被削弱，并使该处的应力增大。这种削弱程度随开孔直径的增大而加大，因而容器上应尽量减少开孔的数量，尤其要避免开大孔。对容器上已开设的孔，还应进行开孔补强设计，以确保所需的强度。 （五）支座压力容器靠支座支承并固定在基础上。圆筒形容器和球形容器的支座各不相同。随安装位置不同，圆筒形容器使用卧式容器支座（如鞍座、支腿、圈座）和立式容器支座（如腿式、支承式、耳式和裙式）。球形容器多采用柱式或裙式（六）附件压力容器安全附件主要有： 安全阀、紧急切断阀、爆破装置、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等 上面所述的六大部件(筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件)构成了一台压力容器的外壳。对于储存用的容器，这一外壳即为容器本身。对于用于化学反应、传热、分离等工艺过程的容器，则须在外壳内装入工艺所要求的内件，才能构成一个完整的产品。1.2 压力容器主要分类使用范围广、数量多、工作条件复杂的压力容器发生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度与多种因素有关，比如设计压力、设计温度、介质危害性、材料力学性能、使用场合和安装方式等。危害程度愈高，压力容器材料、设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。因此，需要对压力容器进行合理分类。1.2.1 按介质危害性分类压力容器的介质危害性主要是指介质的毒性、易燃性、易爆、腐蚀、氧化性等。在分类中主要与毒性、易燃性有关。（一）毒性毒性是某种化学毒物引起有机体损伤的能力。毒性大小是化学物质引起实验动物某种毒性反应所需要的剂量。对于气态毒物，以空气中该物质的浓度表示。最高允许质量浓度为对人体不会发生危害作用的最高浓度。设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，中国将化学介质分为极度危害(级)、高度危害(级)、中度危害(级)、轻度危害(级)等四个级别。所谓最高容许浓度是指从医学水平上，认为对人体不会发生危害作用的最高浓度，以每立方米的空气中含毒物的毫克数来表示，单位是mg/m3。一般划分标难准为： 1、极度危害 ( 级) 最高容许质量浓度0.1mg/m32、高度危害（ 级）最高容许质量浓度0.11.0mg/m33、小度危害 ( 级) 最高容许质量浓度1.010 mg/m34、轻度危害 ( 级) 最高容许质量浓度10mg/m3。其中Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害的压力容器。介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235A或Q235E钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒件程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.6Mpa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。(二) 易燃性易燃性是可燃气体或蒸气与空气混合物遇到明火能够发生爆炸的可能性大小。爆炸浓度极限为可燃气体或蒸气与空气混合物遇到明火能够发生爆炸的浓度范围。易燃介质是爆炸下限小于10%，或爆炸上限和下限的差值大于等于20%的介质。 如甲烷、乙烷、乙烯、氢气等。* Q235-AF不得用于制造易燃介质容器 Q235-A不得用于制造液化石油气容器易燃介质对压力容器的选材、设计、制造、管理等提出了较高的要求。易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。1.2.2 压力容器分类世界各国规范对压力容器分类的方法各不相同，这里介绍中国压力容器安全技术监察规程中的分类方法。(一)按压力等级分类 内压：低压容器（L） 0.1MPa P1.6MPa 中压容器（M） 1.6MPa P10.0MPa 高压容器（H） 10.0MPa P100Mpa 超高压容器（U） P100Mpa 外压：容器的内压力420 ；合金钢450 ；奥氏体不锈钢550 。中温容器的壁温在常温和高温之间的容器。低温容器的壁温低于一20条件下工作的容器其中-20 -40 (浅冷容器)低于-40者为(深冷容器) 。（六）按容器壁厚分类1、薄壁容器 /Di0.1 （K=D0/Di 1.2）；2、厚壁容器 /Di0.1 （K=D0/Di 1.2）。1.3 世界压力容器规范标准 随着科学技术的不断进步，国际贸易的不断增加，各国压力容器规范标准的内容和形式不断更新，以适应新形势的需要。新版本实施后，老版本便自动作废。因此，设计师应及时了解规范变动情况，采用最新规范标准。为确保压力容器在设计寿命内安全可靠地运行，世界各工业国家都制定了一系列压力容器规范标准。给出材料、设计、检验、合格评估等方面的基本要求。压力容器的设计必须满足要求，否则就要承担相应的后果。然而规范不可能包罗万象，提供压力容器设计的各种细节。设计师需要创造性地使用规范标准，根据具体设计要求，在满足规范标准基本要求的前提下，做出最佳的设计方案。1.3.1 国外主要规范标准简介（一） ASME 规范美国是世界上最早制定压力容器规范的国家。19世纪末到20世纪初，锅炉和压力容器事故发生频繁，造成了严重的人员伤亡和财产损失。1911年，美国机械工程师学会（ASME）成立锅炉和压力容器委员会，负责制定和解释锅炉和压力容器设计、制造、检验规范。ASME规范每三年出版一个新的版本，每年有两次增补。在形式上，ASME规范分为4个层次，即规范（Code）、规范案例（Code Case）、条款解释（Interpretation）及规范增补（Addenda）。 1915年春出现了世界上第一部压力容器规范，即锅炉建造规范1914版。这是ASME锅炉和压力容器规范（以下简称ASME规范）各卷的开始，后来成为ASME规范第卷动力锅炉。目前ASME规范共有十二卷，包括锅炉、压力容器、核动力装置、焊接、材料、无损检测等内容，篇幅庞大，内容丰富，且修订更新及时，全面包括了锅炉和压力容器质量保证的要求。ASME规范中与压力容器设计有关的主要是第篇压力容器、第篇玻璃纤维增强塑料压力容器和第篇移动式容器建造和连续使用规则。第篇又分为3册：第1册压力容器，第2册压力容器另一规则和第3册高压容器另一规则，以下分别简称为ASME -1、ASME-2和ASME -3。1925年首次颁布的ASME-1为常规设计标准，适用于压力大小等于20MPa；它以弹性失效设计准则为依据，根据经验确定材料的许用压力，并对零部件尺寸做出一些具体规定。由于它具有较强的经验性，故许用应力较低。ASME -1不包括疲劳设计，但包括静载荷下进入高温蠕变范围的容器设计。ASME -2为分析设计标准，于1968年首次颁发，它要求对压力容器各区域的应力进行详细地分析，并根据应力对容器失效的危害程度进行应力分类，再按不同的安全准则分别予以限制。ASME -2包括了疲劳设计，但设计温度限制在蠕变温度以内。为解决高温压力容器的分析设计，在1974年后又补充了一份规范案例N47。与ASME -1相比，ASME -2对结构的规定更细，对材料、设计、制造、检验和验收的要求更高，允许采用较高的许用应力，所设计出的容器壁厚较薄。1997年首次颁布的ASME -3主要适用于设计压力不小于70MPa的高压容器，它不仅要求对容器各零件做详细的应力分析和分类评定，而且要做疲劳分析或断裂力学评估，是一个到目前为止要求最高的压力容器规范。第篇玻璃纤维增强塑料压力容器是现有ASME规范中惟一的非金属材料篇。该篇对玻璃纤维增强塑料压力容器的材料、设计、检验等提出要求。第篇移动式容器建造和连续使用规则于2004年首次颁布，适用于便携式容器、汽车槽车和铁路槽车。（二） 日本主要压力容器标准1993年以前，与美国一样，日本也采用压力容器基本标准的双轨制，一部是参照ASME -1制定的JIS B8243压力容器构造；另一部是参照ASME -2制定的JIS B8250压力容器构造另一标准。为适应科学技术的进步，在整理和综合原有标准的基础上，日本决定采用新的标准体系，编制基础标准、通用技术标准及相关标准，于1993年3月颁布了新的压力容器标准；JIS B8270压力容器（基础标准）和JIS B8285压力容器（单项标准）。JIS B8270压力容器(基础标准)为压力容器基础标准，规定3种压力容器的设计压力、设计温度、焊接接头形式、材料许用应力、应力分析及疲劳分析的适用范围、质量管理及质量保证体系、焊接工艺评定试验及无损检测等内容。JIS B82718285压力容器(单项标准)由l5项单项标准组成，这些标准主要包括压力容器筒体和封头、螺栓法兰连接、平盖、支撑装置、快速开关盖装置、膨胀节、换热器管板、开孔补强等主要零部件和卧式压力容器、夹套容器、非圆形截面容器的结构形式和设计计算方法，以及压力容器应力分析和疲劳分析的分析方法、许用应力强度的规定、焊接接头力学性能试验、焊接工艺评定试验、压力试验的有关规定。为了使标准尽可能相互通用，避免重复检查、实现有效的认证体质，日本于2000年3月制定并实施了JIS B8265压力容器构造一般事项。随着JIS B8265的实施，日本出现了JIS B8265和JIS B8270双标准并存的状态。为改变这一状态，日本以JIS B8270中的第1中压力容器（设计压力小于100MPa）为对象，制定了JIS B8266压力容器构造特定标准，并修改了JIS B8265，形成了新的压力容器JIS标准体系。该体系已于2003年9月颁布实施。（三） 欧盟主要压力容器标准欧盟将压力容器、压力管道、安全附件、承压附件等以流体压力为基本载荷设备统称为承压设备。随着欧洲统一市场的建立和欧元的面市，为促进承压设备在欧盟成员国内的自由贸易，尽可能在最广泛的工业领域内实施统一的技术法规，欧盟颁布了许多与承压设备有关的EEC/EC指令（DIRECTIVE）和协调标准（HARMONIZED STANDARDS）。EEC/EC指令侧重于安全管理方面的要求，只涉及产品安全、工业安全、人体健康、消费者权益保护的基本要求，是欧盟各成员国制定相关法律指南。此指令生效后，欧盟各个成员国必须把指令转化为本国监察规程或国家法律，并在指令规定的期限内强制执行。与压力容器有关的EEC/EC指令主要有:76/767/EEC压力容器一般指令、87/404/EEC简单压力容器指令和97/23/EC承压设备指令.76/767/EEC为压力容器及其检验的一般规定。87/404/EEC仅适用于介质为空气或氮气、压力（表压）超过0.05MPa的简单压力容器。97/23/EC仅适用于最高工作压力大于0.05MPa的承压设备的设计、制造和合格评估。欧洲协调标准一般由欧洲标准化委员会（CEN）、欧洲电工标准化委员会（CEN-ELEC）等技术组织制订。协调标准是非强制的，但企业若采用协调标准，就意味着满足了相应指令的基本要求。EN13445非火焰接触压力容器是与97/23/EC相对应的欧洲协调标准，其主要内容有：总则、材料、设计、制造、检验和实验、安全系统和铸铁容器。按EN13445规定设计、制造的压力容器，被自动认为满足97/23/EC。一旦欧洲协调标准被正式通过，所有的CEN成员国都应制订与欧洲协调标准等国的国家标准，并废止本国现行标准中与欧洲协调标准规定相冲突的内容。例如，英国废止了原来的BS5500非火焰接触压力容器标准，将其改为不再具有“国家标准”地位的PD5500非火焰接触压力容器。但是，在欧盟各成员国的国家标准中，不是由成员国标准化委员会制订的承压设备标准无需废止。1.3.2 国内主要规范标准简介中国将涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道和大型游乐设施统称为特种设备。为防止和减少事故，保障人民群众生命和财产安全，促进经济发展，中国对特种设备实施全过程安全检查，形成了“法规行政规范安全技术规范标准”四个层次的法规体系结构。 主要标准由标准化委员会组织制定，政府代表参与。是法规标准体系的技术基础，是法规得以实施的重要保证。如GB1501998钢制压力容器、GB1511999管壳式换热器、JB47321995钢制压力容器分析设计标准 、JB/T 4735钢制焊接常压容器、GB123371998钢制球形储罐、JB47102000钢制塔式容器 容规对压力容器的材料、设计、制造、使用、检验、修理、改造等七个环节中的主要问题提出了基本规定。 压力容器标准是设计、制造压力容器产品的依据；容规是政府对压力容器实施安全技术监督和管理的依据，属技术法规范畴，二者的适用范围并不相同 （一）GB150-98钢制压力容器参照ASME （美国机械工程师学会）的 ASME -1，据实施以来取得的经验，参照近期国际同类标准针对GB150-89的修订。属于常规设计标准 1、适用范围： 设计压力： 0.1MPa p35Mpa且真空度不低于0.02Mpa 设计温度： 钢材允许的使用温度（最高：钢材的蠕变限用温度，最高为700 ，最低-196）只适用于固定的承受恒定载荷的压力容器的设计、制造、检验及验收 2、管辖的范围： 除开壳体本体外，还包括容器与外部管道焊接连接的第一道环向接头坡口端面、螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一个法兰密封面，以及专用连接件或管件连接的第一个密封面。其他如接管、人孔、手孔等承压封头、平盖及其紧固件，以及非受压元件与受压元件的焊接接头，直接连在容器上的超压泄压装置均应符合GB150的有关规定 （二）JB4732-95钢制压力容器分析设计标准依靠弹性应力分析，可选用弹性失效准则、塑性失效准则、弹塑性失效准则。进行详细的应力分析, 并根据应力对容器失效所构成的危害程度, 将应力进行分类, 对各类应力用不同的限制值进行控制。对选材、制造、检验和验收规定了比GB150更加严格的要求能适用于需要做疲劳分析的容器。 1、标准适用范围 本标准适用于设计压力：0.1MPa p100 MPa且真空度不低于0.02MPa，设计温度低于以钢材蠕变控制其应力强度的相应温度，不同的钢材该温度不同（最高475）。一般只是对符合下列条件之一的容器才按JB4732 设计：壳体名义厚度大于25mm 的高压容器;设计压力与壳体内径单位的乘积10000 的容器;公称容积大于650m3 , 且设计压力大于116MPa 的球形储罐;GB150 不适用的容器;使用GB150 难于确定结构尺寸的受压元件;用户要求按JB4732 设计的容器。2、优缺点优点：JB4732-95可以采用比GB更高的设计应力强度，在相同设计条件下，厚度减薄，重量减轻；缺点：由于设计计算工作量大(目前还没有完整的设计计算软件) , 以及对设计、制造、检验等的要求更严, 其综合经济效益不一定高, 第二章 椭圆形封头与平板封头的应力分析并计算2.1 载荷分析2.1.1载荷 载荷是能够在压力容器上产生应力、应变的因素。载荷可分为：压力载荷：一般采用表压；非压力载荷：整体载荷(重力载荷、风载荷、地震载荷、运输载荷、波动载荷)、局部载荷(支座反力、管系载荷和吊装力)；交变载荷。1、压力载荷压力可用绝对压力或表压来表示，是压力容器承受的基本载荷。绝对压力是以绝对真空为基准测得的压力，通常用于过程工艺计算。表压是以大气压为基准测得的压力。压力容器机械设计中，一般采用表压。作用在容器上的压力，可能是内压、外压或两者均有。压力容器中的压力主要来源于三种情况：一是流体经泵或压缩机，通过与容器相连接的管道，输入容器内而产生压力，如氨合成塔、尿素合成塔、氢气储罐等；二是加热盛装液体的密闭容器，液体膨胀或汽化后使容器内压力升高，如人造水晶釜；三是：盛装液化气体的容器，如液氨储罐、液化天然气储罐等，其压力为液体的饱和蒸汽压。装有液体的容器，液体重量将产生压力，即液体静压力。其大小与液柱高度及液体密度成正比。例如，相对密度为1000/m3的10m水柱产生的压力为0.0981MPa（工程上常取0.1MPa）。2、非压力载荷非压力载荷可分为整体载荷和局部载荷。作用于整台容器上的载荷，比如重力、风力、地震、运输等引起的载荷是整体载荷。作用于容器局部区域上的载荷，比如管系载荷、支座反力和吊装力等是局部载荷。（1） 重力载荷 重力载荷是指由容器及其附件、内件和物料的重量引起的载荷。计算重力载荷时，除容器自身的重量外，因根据不同的工况考虑隔热层、内件、物料、平台、梯子、管系和由容器支承的附属设备等的重量。（2）风载荷风载荷是根据作用在容器及其附件迎风面上的有效风压来计算的载荷。风的流动方向通常为水平的，但它通过障碍物表面时，可能有垂直分量。所以它是由高度湍湍的空气扫过地表时形成的非稳定流动引起的。风载荷作用下，除了使容器产生应力和变形外，还可能使容器产生顺风向的振动和垂直于风向的诱导振动。（3） 地震载荷 地震载荷是指作用在容器上的地震力，它产生于支承容器的地面的突然振动和容器对振动的反应。地震时，作用在容器上的力十分复杂。为简化设计计算，通常采用地震影响系数，把地震力简化当量剪力和弯矩。地震影响系数具体取值可参阅有关地震设计规范，因为它与容器所在地的场地土类别、震区类型和地震烈度等因素有关。（4） 运输载荷运输载荷是指运输过程中由不同方向的加速度引起的力。容器经海上或陆路或空中运送到安装地点，由于运输车辆或船舶或飞机的运动，容器将承受不同方向上的加速度。运输载荷可用加速度除以标准重力加速度所得到的系数表示，也可用水平方向和垂直方向加速度给出。（5）波动载荷波动载荷是指固置在船上容器，由于波浪运动而产生的加速度。波动载荷的表示方法与运输载荷相同。晃动载荷是交变的，应考虑疲劳的要求，有关设计数据，可参考船舶分类的规范标准（6） 管系载荷管系载荷是指管系作用在容器接管上的载荷。当管系与容器接管相连接时，由于管路及管内物料重量、管系的热膨胀和风载荷、地震或其他载荷的作用，在接管处产生的载荷就是管系载荷。设计容器时，管路的总体布置通常还没有最后确定，因此不可能进行管路应力分析来确定接管处的载荷。所以往往要求压力容器购买方提供管系载荷。容器设计者必须保证接管能经受住这些载荷，确保不会在容器或接管处产生过大的应力。管线布置最终确定后，管路设计者要确保由接管应力分析得到的载荷不会超过指定的管系载荷。3、交变载荷上述载荷中，有的是大小和/或方向随时间变化的交变载荷，有的是大小和方向基本上不随时间变化的静载荷。下面为压力容器交变载荷的典型实例： 容器各零部件之间温度差的变化； 振动（例如风诱导振动）引起的载荷变化； 装料、卸料引起的容器支座上的载荷变化； 间歇生产的压力容器的重复加压、减压； 液体波动引起的载荷变化； 生产过程中，因温度变化导致管系热膨胀或收缩，从而引起接管上的载荷变化； 由往复式压缩机或泵引起的压力波动；为确定容器是否需要进行疲劳设计，设计者应详细了解压力容器在全寿命期间内，每个载荷的变化范围（即最大和最小值）和循环次数。交变载荷是容器设计中的一个重要控制因素，小载荷改变量大循环次数与大载荷改变量小循环次数，同样都要认真考虑。压力容器设计时，并不是每台容器都要考虑以上载荷。设计者应根据全寿命周期内容器所受的载荷，结合规范标准的要求，确定设计载荷。2.1.2载荷工况载荷工况即能够在压力容器上产生应力、应变的因素。载荷工况分类：1、 正常操作工况：容器正常操作时的载荷；2、特殊载荷工况如：压力试验、开停工及检修；3、意外载荷工况：紧急状况下容器的快速启动或突然停车、容器内发生化学爆炸、容器周围的设备发生燃烧或爆炸等意外情况下，容器会受到爆炸载荷、热冲击等意外载荷的作用。 2.2 椭圆形封头的应力分析并计算 压力容器通常是由板、壳等组合而成的焊接结构。常用的壳体分别是圆柱壳、球壳、椭球壳、锥形壳和由它们构成的组合壳。这些壳体多属于回转薄壳。壳体是一种以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其他方向尺寸小得多的构件。按照厚度t与其中曲面率半径R的比值大小，壳体又可分为薄壳和厚壳。工程上一般把（t/R）max1/10的壳体归为薄壳，反之为厚壳。，两曲面之间的距离即是壳体的厚度，用t表示。与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面称为壳体的中面。本节讨论薄壳的应力分析。对于圆柱壳体（又称圆筒），若外直径与内直径的比值(Do/Di)max1.11.2，则称为薄壁圆柱壳或薄壁圆筒；反之，则称为厚壁圆柱壳或厚壁圆筒。在薄壳应力分析中，我们假设壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后的变形是弹性小变形；壳壁各层纤维在变形后互不挤压。2.2.1 回转薄壳的不连续分析（一）产生原因 当容器受载时，若是将容器中两壳体视作自由体，容器中连接边缘两侧壳体的薄膜变形是不相同的，但在连接处，它们的变形不能自由伸展，因此迫使壳体连接处发生局部的弯曲，既然出现了弯曲现象，势必在该边缘部位存在附加的边缘力（横剪力）Q0和边缘力矩（内力矩）M0，才能使壳体的连接区域产生这种局部的弯曲，也才能保证弯曲后的经线不断开和无折点。（二）影响因素： 1、沿壳体轴线方向的厚度、载荷、温度和材料的物理性能也可能出现突变(即不是一种连续性变化)。 2、母线不是简单曲线，而是由几种形状规则的曲线段组合而成，连接处不连续（三）不连续效应由于总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。不连续应力由此引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘应力”。分析组合壳不连续应力的方法，在工程上称为“不连续分析”。（四）不连续分析的基本方法 1、第一种方法： 在工程上称为不连续分析，可将壳体的解分为两个部分，一是一次总体薄膜应力，即一次应力，是壳体无力矩理论的解；二是边缘应力，又称二次应力，是有力矩理论得到的解。总的应力是由上述两种应力的迭加。 2、第二种方法是有限元素法。划分单元格进行计算。（五）边缘应力的基本特性： 1、局部性 ： 随着离边缘距离x的增加，各内力呈指数函数迅速衰减以至消失，这种性质称为不连续应力的局部性。 2、自限性 边缘应力的产生，是由于边缘两侧壳体薄膜变形的不相同以及它们的变形协调的结果。而当边缘区的局部材料发生屈服进入塑性状态时，壳体间原来变形的弹性约束得到了缓解，同时材料的塑性流动还受到周围弹性区的限制。所以变形不会连续发展，边缘应力不可能无限制地增长，这就是边缘应力的自限性。（六）设计中改善边缘应力状况 改善连接边缘结构，实现等厚度焊接和圆弧角度；对边缘区应局部加强；避免边缘区附近局部应力或应力集中；保证边缘焊缝质量，消除边缘焊接残余应力2.2.2 无力矩理论的基本方程（一）壳体微元及其内力分量在受压壳体上任一点取一微元体abdc。它由下列三对截面构成：一是壳体内外壁表面；二是两个相邻的经线截面；三是两个相邻的与经线垂直、同壳体正交的圆锥面，如图2-1中所示。该微元体的经线弧长（）为与壳体正交的圆锥面截线（）长为微元体abdc的面积为壳体承受轴对称载荷，与壳体表面垂直的压力为据回转薄壳无力矩理论，微元界面上仅产生经向和轴向内力和。因为轴对称，、不随变化，在截面ab和cd上的值相等。由于随角度变化，若在bd截面上的经向内力为，早对应截面ac上，因增加了微量，经向内力变为。图2-1 微元体的力平衡（二）微元平衡方程作用在壳体微元上的内力分量和外载荷组成一平衡力系，根据平衡条件可得各内力分量与外载荷的关系式。由图2-1（c）知，经向内力和在法线上的分量为将，代入上式，并略去高阶微量，得由图2-1（d）中ac截面知，周向内力在平行圆方向的分量为再将该分量投影至法线方向，见图2-1（e）中ab截面，并考虑，得作微元体法线方向的力平衡，得等式两边同除以，得 （2-1）此式由拉普拉斯（Laplace）首先导出，故称拉普拉斯方程。这个联系薄膜应力、和压力p的方程，也称为微元平衡方程。（三）区域平衡方程微元平衡方程（2-1）中有两个未知量和。必须找一个补充方程，此方程可从部分容器的静力平衡条件中求得。在图2-1（a）中，过mm作一与壳体正交的圆锥面mDm，并截取一下部分容器作为分离体，如图2-1所示。在容器mOm区域上，任作两个相邻且都与壳体正交的圆锥面。在这两个圆锥面之间，壳体中面是宽度为dl的环带nn。设在环带处流体内压力为p，则环带上所受压力沿OO轴的分量为由图2-2可知所以，压力在OO轴方向产生的合力V为式中 rmmm处的平行圆半径。容器mOm区域上，外载荷轴向分量V，应与mm截面上的内力轴向分量V相平衡，所以 （2-2）式中 a截面mm处的经线切向与回转轴OO的夹角。此式称为壳体的区域平衡方程式。通过式（2-2）可求得，代入式(2-1)可解出。图2-2 部分容器静力平衡 微元平衡方程式(2-1)与区域平衡方程式（2-2）为无力矩理论的两个基本方程。（四）无力矩理论应用条件1、壳体的边界不受横向剪力、弯矩和扭矩作用。2、壳体的边界处不得限制边界处的转角与挠度，故约束沿经线的切向方向。 3、 构成壳体的材料物理性能相同(主要是和)，壳体的厚度、中间面曲率和载荷连续，无突变。2.2.3薄壁圆筒理论计算公式推导气体仅对回转薄壳施内压作用时，各处的压力相等，压力产生的轴向力V为由式（2-2）得 （2-3）将式（2-3）代入式（2-1）得 （2-4） 薄壁圆筒中各点的第一曲率半径为；第二曲率半径为；将第一曲率半径和第二曲率半径代入式（2-3）和式（2-4）中得薄壁圆筒理论计算公式 2.2.4 椭圆形封头理论计算公式推导椭球形壳体由四分之一椭圆曲线作为母线绕一固定轴回转而成，它的应力可以用式（2-3）和（2-4）计算。主要问题是如何确定第一和第二曲率半径R1和R2，它们都是沿着椭球壳的经线连续变化的。已知椭圆曲线方程如下由此求得一阶导数和二阶导数为R1为壳体母线的第一主曲率半径为将 和 代入上述之表达式，得 第二曲率半径为椭圆至回转轴的法线长度，椭圆切线的斜率为从图2-8可知和，可得第二曲率半径为将、表达式分别代入（2-3）和（2-4）式，可求得经向应力和环向应力。图2-3椭球壳的尺寸 （2-5） （2-6）从式（2-5）和式（2-6）式可以看出：1、椭圆壳上各点的应力与各点的坐标有关，在壳体赤道上（x=a，y=0），；在壳体顶点处（x=0，y=b），；2、椭球壳应力的大小不仅与内压p，壁厚t有关外，还与长轴与短轴之比a/b有很大关系：当a与b轴相等时，椭球壳变成球壳，这时最大应力为圆筒壳中的的一半，随着a/b值的增大，椭球壳中应力增大，如图2-4所示；工程上常采用标准椭圆形封头即当（a/b）=2的情况下标准椭球封头中各点应力分布的情况。下图中正号表示拉应力，负号表示压应力。从应力分布图2-4上可以看出：在椭球封头受内压时的顶点和底边应力都比较大，所以这些部位必须通过强度计算，图2-4椭球壳中的应力随长轴与短轴之比的变化规律2.2.5理论计算并分析已知椭圆形封头的应力根据公式2-5和公式2-6，可求得椭圆形封头上17点上的轴向力和周向力的理论值，其中椭圆形封头t=8cm其余数据如图2-5所示，所取各点应力理论值见表2-1。图2-5 椭球封头容器已知数据表2-1 椭圆形封头理论应力值点号片号1MPa2MPa3MPa4MPa5MPa1110.1620.3230.4840.6450.80220.3140.6260.9381.24101.552310.1620.3230.4840.6450.804-16.59-33.18-49.77-66.36-