5.2.1 高压容器设计-i 高压筒体的结构与强度设计1

1,主讲教师：潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院,慕课课程：Massive Open Online CoursePressure Vessel Design 压力容器设计,第五章 高压容器设计,5.2.1 高压容器设计-I 高压筒体的结构与强度设计1,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,2,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,第一节 概述第二节 高压容器筒体的结构与强度设计第三节 高压容器的密封结构与设计计算第四节 高压容器的主要零部件设计,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,3,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,一、高压筒体的结构型式及设计选型二、厚壁圆筒的弹性应力分析三、高压筒体的失效及强度计算,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,4,厚壁容器承受压力载荷时产生的应力具有如下特点：薄壁容器中的应力只考虑经向和周向两向应力，忽略径向应力。但厚壁容器中压力很高，径向应力则难以忽略，应考虑三向应力分析。在薄壁容器中将二向应力视为沿壁厚均匀分布薄膜应力，厚壁容器沿壁厚出现应力梯度，薄膜假设不成立。内外壁间的温差随壁厚的增大而增加，由此产生的温差应力相应增大，厚壁容器中的温差应力不应忽视。,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,5,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,6,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,(1)几何方程 图中所示单元体两条圆弧边的径向位移分别为w和w+dw，可导出其应变表达式为：,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,7,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,物理方程 按广义虎克定律可表示为：,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,8,物理方程,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,9,(2) 平衡方程,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,10,(2) 平衡方程,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,11,(2) 平衡方程,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,12,(2) 平衡方程,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,13,(2) 平衡方程,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,14,(2) 平衡方程,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,15,分布规律,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,16,（二）单层厚壁圆筒的位移表达式,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,17,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（二）单层厚壁圆筒的位移表达式,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,18,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,高温介质存在,内外壁温差,由于温升不同,热膨胀不同,产生温差应力,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,19,(1)温差应力方程,对无保温层的高压容器，若内部有高温介质，内外壁面必然形成温差，内外壁材料的热膨胀变形存在相互约束，变形不是自由的，导致温差应力。内壁温度高于外壁时(称为内加热)，内层材料的自由热膨胀变形大于外层，但内层变形受到外层材料的限制，因此内层材料出现了压缩温差应力，而外层材料则出现拉伸温差应力。当外加热时，内外层温差应力的方向则相反。可以想象，当壁厚愈厚时，沿壁厚的传热阻力加大，内外壁的温差也相应增大，温差应力便随之加大。,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,20,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,(1)温差应力方程,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,21,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,(1)温差应力方程,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,22,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,(1)温差应力方程,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,23,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,(1)温差应力方程,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,24,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,(1)温差应力方程,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,25,温差应力分布规律,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,这里有一个印刷错误(书上P183)， r 应该改为 z ,即：内壁的 与 z 相等。,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,26,温差应力分布规律,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,27,(2)温差应力的工程近似计算,计算公式的简化：,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,28,(2)温差应力的工程近似计算,t 为圆筒实际壁厚，mm,多层圆筒温差应力的近似计算：,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,（三）单层厚壁圆筒的温差应力,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,29,(四)内压与温差同时作用的厚壁圆筒中的应力,多层圆筒温差应力的近似计算：,5. 高压容器设计,5.2 高压容器筒体的结构与强度设计,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,5.2.1 高压容器设计-I高压筒体的结构与强度设计1,30,(五)工程设计中对温差应力的处理,其他国家标准未考虑,分析设计中（作为二次应力）,绝大多数容器有保温层，温差不大,故我国按规则设计标准