2、压力容器应力分析.ppt

第1、过程设备设计、第2、2，2章，压力容器应力分析将旋转曲面用作中间面的外壳。中间面是与外壳内外表面距离相等的表面。内部和外部表面的垂直距离是壳壁厚度。使用直线或平面曲线作为母线，通过绕同一平面内的轴旋转一周来创建曲面。旋转曲面，2.1旋转薄壳应力分析，3，薄壳，t/R1/10，厚度薄壳，t/R1/10，t薄壳厚度R中间面953354圆周应力(圆周应力)963354径向应力，非常小，忽略，压力容器应力分析，5，图a:图b:薄壁：di-d，压力容器应力分析，6，2.1.2旋转薄壳的鲁莽门OO回转轴；o(中间面与旋转轴的交点)极；室正交圆锥(总线k2B)和旋转曲面相交结果圆；平行圆垂直于旋转轴的平面(横截面)和中间面的相交线，通过同一点的纬线与平行圆走在同一个圆上。R平行圆半径；R1(点b处经度线的曲率半径)第一个曲率半径；R2(在b点垂直于子午线切线的平面相交旋转曲面从b点获得曲率半径为的平面曲线)考虑第二曲率半径，R2=r/sin考虑壁厚，具有平行圆的直角圆锥可以切割实际壁厚，具有平行圆的横截面不能切割实际壁厚。压力容器应力分析，8，图a: N 径向力，ns3354圆周力，N，N聚合法向力，NN3354剪切力，法向力，剪切力聚合称为薄膜内力；图b:qq横向剪切强度c: m 、ms 力矩、m m力矩、m m力矩、无力矩理论(薄膜理论)和力矩理论(弯曲理论)、水平剪切、弯曲、扭矩统称为弯曲内力9 轴向力N和圆周力ns、无弯曲支承的应力状态、压力容器应力分析、10，2.1.3无力矩理论的基本方程式、压力容器应力分析、11，abcd薄壳微元素。 修剪为三个部分：外壳的内外面、具有d 的相邻角度的两个经度平面和具有d 的相邻角度的两个平行线圆锥。Ab=dl1=R1dbd=dl2=R2d微元素区域da=dl1dl 2=r1r 2ddd径向应力，=N/(dl2t)或N=；图a，b:12，图b:沿外壳子午线的曲率经常变化，因此n 根据变化。因为ABCD是微元素，所以n 根据很小，可以忽略的话，d；ndn13、压力容器应力分析、14、区域平衡方程式、压力容器应力分析、15、图2-6中的：mom是切割为称为区域薄壳的圆锥mdm 的部分薄壳。，rm纬毫米的平行圆半径方向线和旋转轴oo 的角度，=90-，sinchain=r/r 2nn 3354切割为两个正交圆锥，垂直宽度为dl的环r换句话说，面积平衡方程是mm 截面(壁厚t)中区域壳的内力在oo 轴方向上v=2 rmt cos 平衡条件下v=v :rm2p=2rmtcos，即面积平衡方程。17、气体内部压力下的旋转壳体用微元素平衡方程代替面积平衡方程：2.1.4鲁莽门理论的应用，a .球壳壳体各点的第一曲率半径等于第二曲率半径。也就是说，R1=R2=R，替代混合方程式为：=，替代区域方程式：合成：压力容器应力分析，18，b .薄壁圆柱，R1=，R2=R，将混合方程式取代为：；955=2因此，四分之一椭圆曲线母线被认为是围绕短轴旋转的(因为可以围绕长轴获得深碗状磁头，所以制造起来不容易)。已知椭球面的第一个、第二个曲率半径R1、R2:压力容器应力分析、21，表达式中的R1、R2分别在面积表达式和混合表达式中求一阶、二阶微分y 和 y 。后缀表达式如下：椭球壳各点处的应力不相等。椭球大小的轴比a/b影响壳体应力。A/b=1(实际球形薄壳)时，最大应力为圆柱薄壳 的一半；a/b越大，椭球薄壳的应力也越大。法向应力 是所有a/b值中的拉伸应力， 是极点中最大的，赤道最小环应力 是a/b中的压缩应力，此时直径较大的薄壁椭圆封头上可能出现局部屈曲。必须增加壁厚或使用环加强材料。常用标准椭圆形封头，a/b=2，极95=pa/t，赤道上 =-pat，压力容器应力分析，23，注意：容器顶部闭合，a点压力：p=P0向上平衡p0和:2Rt；=r2p 0；容器顶部开口，或没有气体压力(p0=0)的情况下=0；，；，P0，25；随机点m: p，27，(1)外壳的厚度、中间曲面和载荷必须连续，不能有变形，在具有相同材料物理特性的(2)外壳的边界上不应用横向剪切、弯矩和转矩，(3)外壳的边界上的约束遵循子午线的切线方向，并且不能限制边界上的角点和挠曲。实际上同时满足这三个条件是很困难的，即理想的瞬间状态不存在。对此的方法是，将力矩较大的区域修正为具有力矩的理论，同时用鲁莽孟理论计算外壳应力。压力容器应力分析、28、不连续效果和非连续分析的主要方法，实际薄壳通常由一些简单的几何薄壳(例如球形薄壳、圆柱薄壳、圆锥薄壳、椭球薄壳和板)组成，是组合的薄壳。，2.1.5旋转薄壳的不连续分析，压力容器应力分析，29，当壳体在内部压力下变形时，相互连接的几何薄壳均会产生各自的位移和转角，因此在接合(边)处产生彼此之间的约束(边力和边力矩)，以产生接合处的总应力增加为一个应力和第二个应力之和的边应力。这种情况称为不连续效果或边缘效果。无瞬时理论产生的应力的径向应力 和圆周应力 (也称为薄膜应力)。二次应力不连续应力，也称为边应力，如果同时考虑薄膜应力和边应力，计算过程可能会变得复杂，因此可以单独计算，用无瞬时理论计算薄膜应力，用力矩理论计算边应力，然后叠加。30，由边和边力矩引起的圆柱薄壳的弯曲解决方案(圆柱薄壳的边应力x， )一般旋转薄壳的边工作和由边工作力矩引起的弯曲解决方案(一般旋转薄壳的边应力)复合薄壳的不连续应力计算范例(复合薄壳的边应力计算范例)，一般理解，压力容器应力分析，31，1，1，(r，为薄壳旋转半径和壁厚(t)时，边力矩m衰退95.7%，边应力可以完全忽略，但比r小。压力容器应力分析，32，边应力是由于两个相互连接的几何壳体的自由变形不匹配而导致的，在具有良好塑性的材料中，边应力达到屈服限制时会发生塑性变形，从而导致弹性约束松弛，变形调整，边应力自身受到限制。因此，实际上更常见的是仅计算薄膜应力，不计算边应力，而是针对设计中的个别情况处理局部结构。但是，对脆性材料薄壳、疲劳负载或在低温下工作的薄壳等，必须按照相关规定计算和限制边应力。压力容器应力分析、33、2.2厚壁圆筒应力分析、外径/内径1.1的气缸描述符，通常在高温和高压下工作。氨、合成甲醇等。厚壁圆筒，厚壁圆筒的应力特性：(1)径向应力相对较大，不能忽略。也就是说，不能将三向应力状态(2)法向应力和环应力视为均匀分布，因为沿壁厚出现应力梯度。(3)在高温下工作时，热应力沿壁厚出现应力梯度。厚壁圆筒应力分析方法：“无瞬时”理论不再适用：静态问题、平衡、几何、物理和其他三个方面表达式、压力容器应力分析、34，2.2.1弹性应力、Pi内部压力；P0外部压力；D0外径；Di内径；K=D0/Di直径比率，压力容器应力分析，35，压力负载产生的弹性应力，a .法向应力z，图b: B .环形应力 和径向应力r，由于轴向对称，和r是极座标r(壁厚)的函数，压力容器应力分析，36，mm1nn1轴方向1长度单位微元；R微元素极坐标，37，(1)微元素平衡方程，(2)微元素几何方程由于结构和力的轴对称性，微元素的径向位移(参见虚线)，38，根据变形的定义：径向变形环变形，(3)物理方程，根据广义霍克定律为了求解几何表达式和物理表达式，厚壁圆筒中的三向应力：法向应力圆周应力，仅内部压力或仅外部压力时的三向应力，表2-1和图2-17，拉丁美洲公式，压力容器应力分析，40，压力容器应力分析，41，压力容器应力分析，42，温度变化引起的弹性材料的线膨胀系数，在x、y、z三向受刚性约束，根据广义霍克定律，应变率包括热变形：三维约束最大热应力：44，x、y双向约束(图c)，zt0， Kr=R0/r座标式比率；R圆柱墙主体任意点的圆柱坐标；pt et/(2-2)，压力容器应力分析，46，47，厚壁圆筒的热应力和分布规则：(1)ttt通过表公式表明，与壁厚呈正相关关系。也就是说，装置壁越厚，热应力越大，(2)热应力随壁厚变化。rt内外壁均为0，最大值小，内部加热rt0；95t，ztrt:内部加热rt0，外部墙面095t，ZT:内部加热时最大应力发生在外部墙面上，拉伸应力，内部墙面在压缩应力外部加热时最大应力发生在内部墙面上，拉伸应力，外部墙面压缩应力更大。压力容器应力分析，48，c，c。内部压力和温差同时作用引起的弹性应力总应力，表2-3，压力容器应力分析，49，-r=rt；=t； z= z ZT，图2-21比较图2-22所示，叠加后：内部加热条件，改善内壁应力，改善外壁应力恶化外部加热条件，改善外壁应力，改善内壁应力恶化，50，(1)热应力随约束程度增加(2)热应力不仅受温度变化的影响，还受初始温度的影响。材料的线膨胀系数、弹性系数和泊松比是由于温度变化而变化的(3)热场和结构不同，因此热应力可以是拉伸、压缩应力或整体、局部应力。(4)热应力与温度变化率相关，如果在短时间内实现相同的温度变化量 t，则热应力更大。因此，必须控制设备的加热或冷却速度。压力容器应力分析，51，2.2.2弹塑性应力，弹塑性应力耐压的厚壁圆筒，内壁圆柱体首先屈服，塑性状态，屈服柱层向外延伸，内圈在整个壁厚处为塑性区域，外环为弹性区域，内环和外环边界圆柱半径为Ri，边界圆柱压力为PC。压力容器应力分析，52，诱导：格式：s材料的屈服极限r壁厚本体中的任意半径，压力容器应力分析，53，压力容器应力分析，54，残余应力，内压厚壁圆筒从弹塑性应力状态卸载后，塑料区域无法恢复到原始大小。也就是说，发生了残余变形，位于外环上的弹性区域被残余变形阻挡，或者发生了残余变形。由于残余变形，气缸壁内的应力不会完全消失的残余应力称为残余应力。，压力容器应力分析，55，压力容器应力分析，56，诱导，塑胶区域(RirRc)中的残余应力：诱导，弹性区域(RcrR0)中的残留压力容器应力分析、提高60，2.2.4屈服承载能力的措施、耐压厚壁圆