过程设备设计

1、过程设备设计过程装备与控制工程专业核心课程教材目目 录录 绪论绪论1压力容器导言压力容器导言2压力容器应力分析压力容器应力分析3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器材料及环境和时间对其性能的影响4压力容器设计压力容器设计5储存设备储存设备6换热设备换热设备7塔设备塔设备绪论绪论（1） 产品的分类产品的分类 硬件产品（硬件产品（hardware) 软件产品软件产品(software) 流程性产品流程性产品(processed material)（2）过程工业的概念）过程工业的概念 过程工业是指包括过程工业是指包括:化工化工轻工轻工炼油炼油食品食品制药制药冶金冶金能源能源 等行业在内的工

2、业。等行业在内的工业。炼油厂设备炼油厂设备（3）过程工业的特点）过程工业的特点 a. 属于生产流程性材料产品的制造业属于生产流程性材料产品的制造业 b. 生产过程为流程性的生产过程为流程性的 例：合成氨工业例：合成氨工业 造气、净化、合成三大部分组成。造气、净化、合成三大部分组成。 c.处理的物料以流体、粉体为主处理的物料以流体、粉体为主（4）过程装备）过程装备 过程装备过程装备 过程机器过程机器 过程设备过程设备 过程机器过程机器压缩机、泵、分离机、风机等。压缩机、泵、分离机、风机等。 完成其功能的主要部件为转动或平动完成其功能的主要部件为转动或平动 ！ 过程设备过程设备塔器、传热设备、反应

3、器、储罐等塔器、传热设备、反应器、储罐等 完成其功能的主要部件不运动！完成其功能的主要部件不运动！（5）工艺与装备的关系）工艺与装备的关系 “工艺是先导，装备是保障工艺是先导，装备是保障”。启示：只有既懂工艺，又懂装备与控制，才可能成启示：只有既懂工艺，又懂装备与控制，才可能成为合格的过程工业的工程师。为合格的过程工业的工程师。 （6） 过程系统过程系统 工艺工艺+装备装备+控制控制+技术经济学技术经济学（7） 过程工业的主要发展领域过程工业的主要发展领域过程原理与技术的创新过程原理与技术的创新 主要包括三传一反原理与技术的创新。主要包括三传一反原理与技术的创新。成套装置技术的创新成套装置技术

4、的创新 从系统工程的角度研究装备技术的创新。从系统工程的角度研究装备技术的创新。过程装备放大技术的创新过程装备放大技术的创新 规模化是过程工业的发展趋势。规模化是过程工业的发展趋势。 过程装备结构技术的创新过程装备结构技术的创新 具有优良性能的新结构技术。具有优良性能的新结构技术。 过程装备设计理论和手段的创新过程装备设计理论和手段的创新 如热经济学优化设计理论、强度理论、失效判断如热经济学优化设计理论、强度理论、失效判断理论等；计算机辅助设计理论等；计算机辅助设计(CAE)软件包（软件包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）。等）。 过程装备材料技术的创新过程装备材料技术的创新 陶

5、瓷材料、纳米材料、复合材料等的技术创新。陶瓷材料、纳米材料、复合材料等的技术创新。 过程装备制造技术的创新过程装备制造技术的创新 计算机辅助制造技术（计算机辅助制造技术（CAM)。 过程装备故障诊断技术的创新过程装备故障诊断技术的创新 再线诊断技术的创新。再线诊断技术的创新。 过程控制技术的创新过程控制技术的创新 新型传感器技术和控制理论的创新。新型传感器技术和控制理论的创新。 清洁生产技术的创新清洁生产技术的创新 环境影响评估技术与清洁生产技术的创新。环境影响评估技术与清洁生产技术的创新。（8）过程设备与过程机器示例）过程设备与过程机器示例 过程机器和过程设备的联系与区别：过程机器和过程设备

6、的联系与区别：都属于过程装备；都属于过程装备；过程机器：完成其主要功能的部件是运动的过程机器：完成其主要功能的部件是运动的（平动或转（平动或转 动），如压缩机、风机、泵、分离动），如压缩机、风机、泵、分离机；物料只经历物理过程；机；物料只经历物理过程；过程设备：完成其主要功能的部件是不动的，过程设备：完成其主要功能的部件是不动的，如塔、换热器、反应器、储罐；物料经历物理或如塔、换热器、反应器、储罐；物料经历物理或化学过程；化学过程；过程机器的主要功能是把能量传递给物料，提过程机器的主要功能是把能量传递给物料，提高其压力或速度；过程设备的主要功能是为物料高其压力或速度；过程设备的主要功能是为物料

7、的物理过程或化学过程提供适宜的场所；的物理过程或化学过程提供适宜的场所；（9）过程设备的基本要求）过程设备的基本要求a. 安全可靠安全可靠 过程设备往往都是过程设备往往都是“炸弹炸弹”，即使是常压设，即使是常压设备，由于过程工业所处理的物料往往具有较强的腐备，由于过程工业所处理的物料往往具有较强的腐蚀性、毒性、发射性，一旦物料泄漏，将对环境和蚀性、毒性、发射性，一旦物料泄漏，将对环境和各种生物带来毁灭性的伤害，所以，过程设备必须各种生物带来毁灭性的伤害，所以，过程设备必须安全可靠。安全可靠。b. 满足过程的要求满足过程的要求 过程设备的主要功能是为物料的物理过程或过程设备的主要功能是为物料的物

8、理过程或化学过程提供适宜的场所，因此它必须要满足过程化学过程提供适宜的场所，因此它必须要满足过程的要求。如合成塔、吸收塔、换热器都必须满足相的要求。如合成塔、吸收塔、换热器都必须满足相应过程的要求。应过程的要求。c. 有好的经济技术指标有好的经济技术指标 单位产品成本低、热力学完善度高。单位产品成本低、热力学完善度高。d. 易于操作、维护和控制易于操作、维护和控制 操作简单、可维护性和可修理性好，有优操作简单、可维护性和可修理性好，有优良的控制水平。如换热器的清污性能好、管束良的控制水平。如换热器的清污性能好、管束替换方便、操作弹性好。替换方便、操作弹性好。e. 优良的环境性能优良的环境性能

9、对环境的影响尽可能地小（包括：物料污染、对环境的影响尽可能地小（包括：物料污染、声污染、光污染、热污染、放射性污染等）。声污染、光污染、热污染、放射性污染等）。（10）过程设备的设计）过程设备的设计a. 设计设计 制造制造 使用使用 维护与修理维护与修理需求分析和目标界定需求分析和目标界定提出各种方案提出各种方案方案评价方案评价方案不可行方案不可行方案可行方案可行评估标准：评估标准：功能功能安全性安全性经济性经济性对环境的影响对环境的影响可制造性可制造性时间等时间等改进改进b. 过程设备设计的主要内容过程设备设计的主要内容文献检索与分析文献检索与分析确定设计标准确定设计标准确定材料确定材料确定

10、设计理论和设计方法确定设计理论和设计方法工艺设计工艺设计总体设计总体设计强度设计强度设计结构设计结构设计确定制造工艺确定制造工艺性能评价性能评价总结：总结： 过程设备是化工、轻工、炼油、食品、制药、过程设备是化工、轻工、炼油、食品、制药、冶金、能源等行业广泛使用的一种装备，有别于冶金、能源等行业广泛使用的一种装备，有别于一般的装备。过程设备的设计涉及到过程原理、一般的装备。过程设备的设计涉及到过程原理、固体力学、流体力学、热力学、机械学、自动控固体力学、流体力学、热力学、机械学、自动控制原理与仪器仪表等学科。其涉及学科的范围和制原理与仪器仪表等学科。其涉及学科的范围和问题的复杂程度都是工程问题

11、中极为少见的。问题的复杂程度都是工程问题中极为少见的。 先进的过程设备设计方法是以计算机辅助设先进的过程设备设计方法是以计算机辅助设计（计（CAE)为标志的以寻求最优化结果为目标的设为标志的以寻求最优化结果为目标的设计。计。1压力容器导言压力容器导言1.1 压力容器总体结构压力容器总体结构1.2 压力容器的分类压力容器的分类1.3 压力容器规范标准压力容器规范标准封头封头筒身筒身支座支座接管接管筒节筒节环焊缝环焊缝纵焊缝纵焊缝补强圈补强圈盲板盲板接管接管支座支座上封头上封头下封头下封头图片法兰法兰补强圈补强圈图片返回思考题：压力容器主要由哪几部分构成？各有什么作思考题：压力容器主要由哪几部分构

12、成？各有什么作 用？用？a. 筒身筒身 钢板卷制而成钢板卷制而成 制造容易、成本低制造容易、成本低筒身筒身 整体锻造而成整体锻造而成 制造困难、成本高、性能好制造困难、成本高、性能好 单层单层 多用于中低压容器多用于中低压容器筒身筒身 多层多层 多用于高压容器多用于高压容器b. 封头封头 按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头、平板封头等。形封头、锥形封头、平板封头等。图片c. 法兰法兰 容器法兰容器法兰： 用于容器间或容器与封头的连接；用于容器间或容器与封头的连接； 管道法兰管道法兰： 用于管道间的连接；用于管道间的连接；图片d. 密封装

13、置密封装置 用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。e. 开孔与接管开孔与接管 在容器上开孔的目的是为了便于检修（人在容器上开孔的目的是为了便于检修（人孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或是为了满足工艺的要求。是为了满足工艺的要求。f. 支座支座 把压力容器支承并固定在基础上。把压力容器支承并固定在基础上。g. 补强圈补强圈 开孔会引发开孔区域产生过大的应力，为开孔会引发开孔区域产生过大的应力，为安全计，需要补强圈补强。安全计，需要补强圈补强。h. 安全附件安全附件 安装各种安全泄放装置和各种压力表、测温安装各种安全泄

14、放装置和各种压力表、测温仪表、液位计等。仪表、液位计等。1.2 压力容器的分类压力容器的分类a. 压力容器分类的理由压力容器分类的理由 压力容器潜在的危害程度不同！压力容器潜在的危害程度不同！ 压力容器发生事故所造成的危害程度差别很大，压力容器发生事故所造成的危害程度差别很大，而决定危害程度的因素又很多，有压力、温度、而决定危害程度的因素又很多，有压力、温度、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等。使用场所等。b. 压力容器分类的依据压力容器分类的依据 主要根据压力、温度、物料的相态、物料的主要根据压力、温度、物料的相态、物料的毒性、易燃

15、易爆性、规模、使用场所等。毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等。c. 压力容器的分类压力容器的分类 按设计压力大小分按设计压力大小分 低压容器（低压容器（L） 0.1MPap1.6MPa 中压容器（中压容器（M） 1.6MPap10MPa 高压容器（高压容器（H） 10MPap100MPa 按用途分按用途分 反应器反应器 换热器换热器 分离器分离器 储储 罐罐 按安装方式分按安装方式分 固定式和移动式。固定式和移动式。按安全管理分（按容规分类）按安全管理分（按容规分类）分为三类：分为三类： 具有下列情况之一的，为第三类压力容器：具有下列情况之一的，为第三类压力容器：高压容器高压容器中压容器且介质

16、为极度毒性和高度危害中压容器且介质为极度毒性和高度危害中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、 pv10MPa. m中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、pv0.5MPa. m 低压容器且介质为极度毒性和高度危害、低压容器且介质为极度毒性和高度危害、 pv0.2MPa. m 高压、中压管壳式余热锅炉高压、中压管壳式余热锅炉 中压搪玻璃压力容器中压搪玻璃压力容器 使用强度级别较高的材料制造的压力容器使用强度级别较高的材料制造的压力容器(抗拉强抗拉强度度540MPa) 移动式压力容器移动式压力容器 容积大于容积大于50m的球形容器的

17、球形容器 容积大于容积大于5m的低温贮存容器的低温贮存容器具有下列情况之一的，为第二类压力容器：具有下列情况之一的，为第二类压力容器： 中压容器中压容器 低压容器且介质为极度毒性和高度危害低压容器且介质为极度毒性和高度危害 低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等 低压管壳式余热锅炉低压管壳式余热锅炉 低压搪玻璃压力容器低压搪玻璃压力容器除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。注意：各国对压力容器的分类方法不相同，各有特点。注意：各国对压力容器的分类方法不相同，各有特点。1.3 压力容器规范标准压力容器

18、规范标准1.3.1 国外压力容器标准简介国外压力容器标准简介 ASME规范规范 美国标准（美国标准（American society of Machinery engineering) 为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等国家）。国家）。 1965年推出年推出ASME规范；规范；1968年推出年推出ASME规范的两个分册：规范的两个分册：第一册为传统的规则设计（第一册为传统的规

19、则设计（Design by Rules),第二册为分析设计规范（第二册为分析设计规范（Design by Analysis）。）。 欧盟压力容器标准欧盟压力容器标准 为适应欧洲一体化而建立的标准，正在逐步为适应欧洲一体化而建立的标准，正在逐步完善。该规范对中国的压力容器标准也有一定的完善。该规范对中国的压力容器标准也有一定的影响。如英国影响。如英国1976年制定的年制定的BS5500标准，为分标准，为分析设计标准。析设计标准。 日本标准日本标准 日本于日本于1993年推出分析设计标准年推出分析设计标准JIS8250。1.3.2 国内主要压力容器标准国内主要压力容器标准 较为成熟的标准是：较为成

20、熟的标准是：2011年制定的年制定的GB150-2011压力容器压力容器和和 GB151-1999管壳式换热器管壳式换热器等。等。1998年又重新修订了这两部标准和相关标准。这些标年又重新修订了这两部标准和相关标准。这些标准都是以准都是以ASME规范为蓝本，同时也吸取了欧洲标准规范为蓝本，同时也吸取了欧洲标准的一些思想，同时也加入了一些自己的思想和方法的一些思想，同时也加入了一些自己的思想和方法（如管板强度设计方法）。（如管板强度设计方法）。 1995年推出分析设计标准年推出分析设计标准JB4732。注意：由于部门分割、标准修订时间间隔过长和所注意：由于部门分割、标准修订时间间隔过长和所采用的

21、强度设计准则不同，造成了我国有国家标采用的强度设计准则不同，造成了我国有国家标准和行业标准，甚至还有地方标准的状况，但这准和行业标准，甚至还有地方标准的状况，但这些标准的差别并不是很大，今后，行业标准和地些标准的差别并不是很大，今后，行业标准和地方标准会逐步淡出，压力容器的规范还是以国家方标准会逐步淡出，压力容器的规范还是以国家标准为主，国家标准也会因为经济全球化而逐步标准为主，国家标准也会因为经济全球化而逐步向国际标准靠拢。向国际标准靠拢。1.3.3 国家标准和工业国家标准的比较国家标准和工业国家标准的比较 GB150与美国标准、欧洲标准的内容基本相同，与美国标准、欧洲标准的内容基本相同，制

22、定标准的出发点也相差不多。差别主要在标准制定标准的出发点也相差不多。差别主要在标准的适用范围、材料的许用应力、材料的品牌性能、的适用范围、材料的许用应力、材料的品牌性能、某些技术指标有所不同。某些技术指标有所不同。1.3.4 制定标准的目的制定标准的目的 标准化的目的是为了实现产品的系列化、通标准化的目的是为了实现产品的系列化、通用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作的资质都必须

23、有章可循。的资质都必须有章可循。思考题：如何看待压力容器的规范？在容器分类中，思考题：如何看待压力容器的规范？在容器分类中，为什么不仅要考虑压力的高低，还要考虑为什么不仅要考虑压力的高低，还要考虑pv的大的大小？小？2压力容器应力分析压力容器应力分析2.1 回转薄壳的应力分析回转薄壳的应力分析2.2 厚壁容器的应力分析厚壁容器的应力分析2.3 结构与力学性能的关系结构与力学性能的关系2.4 壳体的稳定性分析壳体的稳定性分析2.5 典型局部应力典型局部应力2 压力容器应力分析压力容器应力分析问题：你觉得压力容器失效的后果会问题：你觉得压力容器失效的后果会是怎样的？导致压力容器失效的是怎样的？导致

24、压力容器失效的最根本原因又是什么呢？最根本原因又是什么呢？2.1 回转薄壳的应力分析回转薄壳的应力分析2.1.1 回转薄壳的概念回转薄壳的概念回转壳的特点：回转壳的特点： 母线以回转轴为中心旋转而母线以回转轴为中心旋转而得，故为对称壳体。得，故为对称壳体。若：若：壁厚壁厚/ /中面曲率半径中面曲率半径0.1，称该壳体为薄壳，反之为，称该壳体为薄壳，反之为厚厚 壳。壳。在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变形为弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形形为弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形后互相不挤压（？）。后互相不挤压（？）。2.1.2 薄

25、壁圆筒的应力分析薄壁圆筒的应力分析分析方法：单元体平衡法分析方法：单元体平衡法环向应力和经向应力环向应力和经向应力2.1.3 回转薄壳的几何要素回转薄壳的几何要素第一曲率半径第一曲率半径R1、第二曲率半径、第二曲率半径R22.1.4 无力矩理论和有力矩理论无力矩理论和有力矩理论2.1.5 无力矩理论的基本方程无力矩理论的基本方程采用微元体平衡法导出采用微元体平衡法导出区域平衡方程区域平衡方程应力求解的重要途径！应力求解的重要途径！2.1.6 无力矩理论的应用无力矩理论的应用 承受气体内压的回转薄壳承受气体内压的回转薄壳C、锥形壳体、锥形壳体D、椭球形壳体、椭球形壳体储存液体的回转薄壳储存液体的

26、回转薄壳E .球形壳体球形壳体应力在支座支承处有突变，说明什么？应力在支座支承处有突变，说明什么？图片无力矩理论的应用条件无力矩理论的应用条件 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。且构成壳体的材料的物理性能相同。 壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。 客观地说，实际的压力容器都不能使用无力客观地说，实际的压力容器都不能使用无力矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大，完论得到的结果与真实情况

27、之间的偏差并不大，完全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到满足，则无力矩理论不适用。满足，则无力矩理论不适用。2.1.7 回转薄壳的不连续分析回转薄壳的不连续分析a. 不连续和不连续分析不连续和不连续分析 几何形态不连续、或数学不连续、或载荷几何形态不连续、或数学不连续、或载荷突变，由此造成应力突变或出现大应力状况。突变，由此造成应力突变或出现大应力状况。由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导致设备在局部破坏，最终造成设备失效。

28、致设备在局部破坏，最终造成设备失效。 分析不连续应力的方法称为不连续分析。分析不连续应力的方法称为不连续分析。b. 不连续分析方法不连续分析方法 力的连续（各种内力、应力）力的连续（各种内力、应力） 分析方法的核心是：分析方法的核心是： 变形的连续（线位移、角位移）变形的连续（线位移、角位移）注意：内力包括轴力、剪力、弯距；应力包括正应力和注意：内力包括轴力、剪力、弯距；应力包括正应力和 剪应力。剪应力。 通过有力矩理论建立协调方程后即可求解出不连续区通过有力矩理论建立协调方程后即可求解出不连续区域的各种力和变形。域的各种力和变形。c. 不连续应力的特性不连续应力的特性局限性局限性自限性（限于

29、塑性材料）自限性（限于塑性材料）d. 对不连续应力的处理对不连续应力的处理 尽量消除或降低不连续应力产生的条件；尽量消除或降低不连续应力产生的条件； 对一般的由塑性材料制成的压力容器不进对一般的由塑性材料制成的压力容器不进行不连续应力的计算（计算难度大且工作行不连续应力的计算（计算难度大且工作量大、局限性和自限性也降低了不连续应量大、局限性和自限性也降低了不连续应力的危害），仅根据不连续应力的特点进力的危害），仅根据不连续应力的特点进行局部处理；行局部处理； 对由脆性材料制成的压力容器或重要的设对由脆性材料制成的压力容器或重要的设备（如三类容器），必须用有限元程序计备（如三类容器），必须用有限

30、元程序计算不连续应力。算不连续应力。2.2 厚壁容器的应力分析厚壁容器的应力分析方法：在弹性力学和板壳理论的基础上，按有力矩方法：在弹性力学和板壳理论的基础上，按有力矩理论的方法处理。但只有一部分相对简单的问题理论的方法处理。但只有一部分相对简单的问题可以得到理论解，而大部分的问题无法得到理论可以得到理论解，而大部分的问题无法得到理论解，此时，只能利用有限元程序包（解，此时，只能利用有限元程序包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）来对厚壁容器的应力和等）来对厚壁容器的应力和变形进行分析。变形进行分析。2.2.1 压力载荷引起的弹性应力压力载荷引起的弹性应力采用微元体平衡分析方法。采

31、用微元体平衡分析方法。物理方程：即广义虎克定律物理方程：即广义虎克定律综合平衡方程、几何方程和物理方程得：综合平衡方程、几何方程和物理方程得：2.2.2 温差引起的热应力温差引起的热应力 容器内外表面温度不一样时，会在材料内产生温差应力，容器内外表面温度不一样时，会在材料内产生温差应力，对厚壁容器来说，该应力有时会很大。对厚壁容器来说，该应力有时会很大。作业：作业： 定量比较定量比较K和和 Kr 对厚壁容器三向应力的影响对厚壁容器三向应力的影响; 第第87页第页第3、4、5题。题。2.2.3 厚壁容器材料的有效利用厚壁容器材料的有效利用 厚壁内压容器在承受压力时，内部材料先于厚壁内压容器在承受

32、压力时，内部材料先于外部材料进入塑性状态，由此提出两个问题：一外部材料进入塑性状态，由此提出两个问题：一是容器的失效判定，二是材料的有效利用问题。是容器的失效判定，二是材料的有效利用问题。 第一个问题涉及容器设计的强度理论，第二第一个问题涉及容器设计的强度理论，第二个问题涉及容器的合理结构和材料的配置使用问个问题涉及容器的合理结构和材料的配置使用问题。题。2.2.4 圆平板的应力分析圆平板的应力分析周边固支圆平板的应力分布：周边固支圆平板的应力分布：周边简支圆平板的应力分布：周边简支圆平板的应力分布：支承方式对变形和应力的影响：支承方式对变形和应力的影响： 在其它条件相同的情况下，周边固定圆平

33、板在其它条件相同的情况下，周边固定圆平板的最大应力小于周边简定圆平板的最大应力，只的最大应力小于周边简定圆平板的最大应力，只约为后者的约为后者的2/3；前者的最大变形也仅为后者的；前者的最大变形也仅为后者的1/4。2.2.5 有限元方法有限元方法有限单元法：把连续的实体（无限多自由度）离散有限单元法：把连续的实体（无限多自由度）离散为有限多个单元实体的集合（有限多自由度），为有限多个单元实体的集合（有限多自由度），即把一个连续的问题转化为不连续的问题，最终即把一个连续的问题转化为不连续的问题，最终得到问题的数值解。得到问题的数值解。启示：布料的结构启示：布料的结构 p p 总的质量不变，梁的刚

34、度不变，把连续分布总的质量不变，梁的刚度不变，把连续分布的质量离散为的质量离散为4个集中质量，梁本身无质量。个集中质量，梁本身无质量。引擎连杆的引擎连杆的(CAE)分析（实体分为分析（实体分为2978个元素）个元素） 作为一种数学方法，有限元法的思想在很早作为一种数学方法，有限元法的思想在很早以前就提出来了，但由于计算量太大，限制了该以前就提出来了，但由于计算量太大，限制了该方法的应用。方法的应用。80年代以后，由于计算机的普及尤年代以后，由于计算机的普及尤其是其是PC机性能的提高，有限元法得到了飞速发展，机性能的提高，有限元法得到了飞速发展，出现了集出现了集CAD、CAE、CAM为一体的各种

35、有限元为一体的各种有限元软件包，如软件包，如i-deas、pro-e、UG、ANSYS、SAP等。等。 目前，有限元方法的软件包越来越多，功能目前，有限元方法的软件包越来越多，功能也越来越强大，大量地应用于航天、机械、水利、也越来越强大，大量地应用于航天、机械、水利、能源等等领域，不仅用于力学方面，也用于温度能源等等领域，不仅用于力学方面，也用于温度场的确定。场的确定。 2.3 结构与力学性能的关系结构与力学性能的关系 决定设备应力分布的因素很多，其中，设备决定设备应力分布的因素很多，其中，设备的结构是重要的一个因素。通过比较各种结构薄的结构是重要的一个因素。通过比较各种结构薄壁容器的应力大小

36、，我们可以得到如下的一些结壁容器的应力大小，我们可以得到如下的一些结论：论： 对筒身来说，力学性能由好到差的顺序是按球体、对筒身来说，力学性能由好到差的顺序是按球体、椭球体、圆筒、锥筒、平壁容器排列的；椭球体、圆筒、锥筒、平壁容器排列的； 对封头来说，力学性能由好到差的顺序是按半球对封头来说，力学性能由好到差的顺序是按半球形、半椭球形、碟形、锥形、平板形。形、半椭球形、碟形、锥形、平板形。2.4 壳体的稳定性分析壳体的稳定性分析对外压容器，存在失稳的破坏形式。对外压容器，存在失稳的破坏形式。2.4.1 圆柱壳体的三种类型：圆柱壳体的三种类型： 长圆筒长圆筒 失稳呈两个波形失稳呈两个波形 短圆筒

37、短圆筒 失稳呈两个以上波形失稳呈两个以上波形 刚性圆筒刚性圆筒 不失稳不失稳问题：什么样的圆筒易失稳？问题：什么样的圆筒易失稳？2.4.2 临界压力和临界长度临界压力和临界长度 临界长度临界长度 Lcr 式中：式中：D0 圆筒外径圆筒外径 t 厚度厚度当当LcrL时，为短圆筒时，为短圆筒 计算长度计算长度L为刚性构件（如封头、法兰、加为刚性构件（如封头、法兰、加强圈等）之间的距离，取法见下图：强圈等）之间的距离，取法见下图：tDDLcr0017. 1 临界压力临界压力对长圆筒：对长圆筒：对短圆筒：对短圆筒：32)(12DtEpcrtDLDEtpcr00259. 22.4.3 理论计算和工程实践

38、的关系理论计算和工程实践的关系现象：外压力现象：外压力临界压力临界压力 ,有时也会发生容器的失稳！？有时也会发生容器的失稳！？结论：理论计算的预测不够准确结论：理论计算的预测不够准确原因：理论计算的模型和真实容器存在较大的出入。原因：理论计算的模型和真实容器存在较大的出入。 理论模型的假定条件？理论模型的假定条件？ 材料是各向同性的；材料是各向同性的； 材料无缺陷；材料无缺陷； 圆筒的不直度和不圆度为圆筒的不直度和不圆度为0； 各处壁厚完全一样。各处壁厚完全一样。 理论的功能：理论的功能： 解释现象解释现象 预测现象预测现象问题：什么样的理论是正确的？问题：什么样的理论是正确的？ 表象上可能有

39、偏差，但必表象上可能有偏差，但必须揭示现象的本质规律！须揭示现象的本质规律！大卫大卫思各特的实验思各特的实验2.5 典型局部应力典型局部应力不连续问题不连续问题!解决不连续问题的方法解决不连续问题的方法? 有力矩理论有力矩理论 采用塑性好的材料采用塑性好的材料 如铜、铝、钛的合金，或低碳钢如铜、铝、钛的合金，或低碳钢 合理的结构设计合理的结构设计还有其它计算方法吗？还有其它计算方法吗？maxtKmax不开孔时壳体上的环向薄膜应不开孔时壳体上的环向薄膜应力力最大应力最大应力如何降低局部应力如何降低局部应力?a. 合理的结构设计合理的结构设计减少两连接部件的刚度差别；减少两连接部件的刚度差别；尽量

40、采用圆弧过渡；尽量采用圆弧过渡；b.减少附件传递的局部载荷减少附件传递的局部载荷c.尽量减少结构中的缺陷尽量减少结构中的缺陷 局部补强局部补强 选择合理的开孔位置选择合理的开孔位置图片总结：总结： 回转薄壳回转薄壳 薄壁圆筒的应力分析薄壁圆筒的应力分析 单元体平衡法单元体平衡法 ： 拉普拉斯公式拉普拉斯公式 区域平衡方程区域平衡方程 无力矩理论及其使用条件无力矩理论及其使用条件 有力矩理论有力矩理论 不连续问题及其解决方法不连续问题及其解决方法 厚壁容器的厚壁容器的 应力分析应力分析 方法：有力矩理论、有限元法方法：有力矩理论、有限元法 3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器材料及环

41、境和时间对其性能的影响3.1 压力容器常用钢材压力容器常用钢材3.2 非金属材料非金属材料3.3 环境对压力容器用钢性能的影响环境对压力容器用钢性能的影响3.4 压力容器材料的选择压力容器材料的选择3.1 压力容器常用钢材压力容器常用钢材钢材形状：钢材形状：钢板钢板 如筒身如筒身钢管钢管 如接管如接管锻造件锻造件 如法兰如法兰钢材类型钢材类型 碳素钢碳素钢 含碳量含碳量2.06% 如如Q235系列、系列、10、20、20R钢钢 低合金钢低合金钢 低碳低合金，合金元素总量低碳低合金，合金元素总量3% 如如16MnR、16MnDR等等 高合金钢高合金钢 低碳高合金低碳高合金 如如0Cr18Ni9、

42、40Cr、1Cr18Ni9Ti等等铁铁-碳合金相图：碳合金相图： 铁素体铁素体 奥氏体奥氏体 铁素体铁素体3.1.1 晶粒尺寸和合金元素晶粒尺寸和合金元素提示：晶体：原子或分子在空间规则排列的提示：晶体：原子或分子在空间规则排列的 物质。物质。 材料分为晶体和非晶体，金属材料是晶体。材料分为晶体和非晶体，金属材料是晶体。晶粒尺寸与材料性能的关系晶粒尺寸与材料性能的关系结论：晶粒尺寸越小，材料的整体性能越好。结论：晶粒尺寸越小，材料的整体性能越好。措施？措施？a.塑性变形塑性变形 铁匠反复锻打铁块的目的？铁匠反复锻打铁块的目的？ 加工拉面或千层饼的面团如何处理？加工拉面或千层饼的面团如何处理？a

43、.淬火处理淬火处理 可以细化晶粒。可以细化晶粒。 回火、焊接操作对晶粒尺寸的回火、焊接操作对晶粒尺寸的 影响？影响？合金元素的作用合金元素的作用a.纯金属的特点纯金属的特点 以纯铁为例以纯铁为例b.合金的特点合金的特点c.合金元素合金元素 在基体材料中加入的某些金属或非金属元素。在基体材料中加入的某些金属或非金属元素。d.合金化合金化e.合金化的目的合金化的目的 提高材料的综合性能。如力学性能、加工性能、提高材料的综合性能。如力学性能、加工性能、防止腐蚀的性能等。防止腐蚀的性能等。3.1.2 塑性变形塑性变形 塑性变形的优点？塑性变形的优点？ 细化晶粒尺寸细化晶粒尺寸 使晶格扭曲使晶格扭曲 提

44、高材料的强度！提高材料的强度！ 塑性变形的缺点？塑性变形的缺点？ 造成加工硬化造成加工硬化 降低材料的抗腐蚀性能。降低材料的抗腐蚀性能。3.1.3 焊接焊接 焊接的优点焊接的优点 加工方便、成本低等优点。加工方便、成本低等优点。 焊接的缺点焊接的缺点 造成晶粒粗大、有残余造成晶粒粗大、有残余应力、局部变形、焊接缺应力、局部变形、焊接缺陷等现象。陷等现象。图片图片 焊接缺陷焊接缺陷焊接质量检验焊接质量检验 一般采用无损探伤方法，如射线探伤、超一般采用无损探伤方法，如射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤等方法。声波探伤、磁粉探伤等方法。3.2 非金属材料非金属材料 主要有工程塑料、石墨、陶瓷等。共同特主

45、要有工程塑料、石墨、陶瓷等。共同特点为耐蚀性好、强度低。点为耐蚀性好、强度低。 用途逐渐增多，如汽车发动机、石墨换热用途逐渐增多，如汽车发动机、石墨换热器、陶瓷换热器等。器、陶瓷换热器等。3.3 环境对压力环境对压力容器用钢性能容器用钢性能的影响的影响 温度温度 性能变化性能变化 高温蠕变高温蠕变 介质介质 腐蚀腐蚀3.3.1 温度温度 短期、静载条件下温短期、静载条件下温度对钢材力学性能的度对钢材力学性能的影响影响E弹性模量弹性模量s s屈服强度屈服强度b b抗拉强度抗拉强度延长率延长率 断面收缩率断面收缩率 高温、长期静载条件下钢材的力学性能高温、长期静载条件下钢材的力学性能3.3.2 介

46、质介质 化学腐蚀化学腐蚀腐蚀腐蚀 电化学腐蚀电化学腐蚀 局部腐蚀局部腐蚀腐蚀腐蚀 全面腐蚀全面腐蚀图片 金属腐蚀的危害？金属腐蚀的危害？ 金属材料的浪费、突发安全事故、污染产品等。金属材料的浪费、突发安全事故、污染产品等。 绝大部分金属材料的腐蚀都是能够自发进行的过程绝大部分金属材料的腐蚀都是能够自发进行的过程 提示：不要想从根本上消除腐蚀！提示：不要想从根本上消除腐蚀！ 影响金属材料腐蚀的因素？影响金属材料腐蚀的因素？ 四个：材料、介质、力学因素和结构因素。四个：材料、介质、力学因素和结构因素。 提示：防止或减小腐蚀的措施也要从这几方面着手！提示：防止或减小腐蚀的措施也要从这几方面着手！腐蚀

47、分类腐蚀分类 局部腐蚀局部腐蚀 全面腐蚀全面腐蚀局部腐蚀分类局部腐蚀分类a.应力腐蚀应力腐蚀b.孔蚀孔蚀c.间隙腐蚀间隙腐蚀d.晶间腐蚀晶间腐蚀e.腐蚀疲劳腐蚀疲劳f.磨损腐蚀磨损腐蚀3.4 压力容器材料的选择压力容器材料的选择3.4.1 压力容器用钢的基本要求压力容器用钢的基本要求 较高的强度较高的强度 良好的塑性良好的塑性 韧性韧性 制造性制造性 与介质的相容性与介质的相容性 介质使材料脆化、腐蚀介质使材料脆化、腐蚀 经济性经济性3.4.2 压力容器钢材的选择压力容器钢材的选择 需考虑以下因素：需考虑以下因素： 压力容器的使用条件压力容器的使用条件 制造工艺的特点制造工艺的特点 材料的使用

48、经验（尤其是工业经验）材料的使用经验（尤其是工业经验） 经济性能经济性能 相关规范和标准相关规范和标准4压力容器设计压力容器设计4.1 概述概述4.2 设计准则设计准则4.3 工程设计的过去、现在、将来工程设计的过去、现在、将来4.4 常规设计常规设计4.5 分析设计分析设计4.6 疲劳分析疲劳分析4.7 压力容器设计进展压力容器设计进展4.1 概述概述4.1.1 设计要求设计要求设计要求：设计要求：功能、安全性、先进性、经济性的统一功能、安全性、先进性、经济性的统一 满足设备的功能是最基本的要求；满足设备的功能是最基本的要求； 安全是核心，是前提；安全是核心，是前提； 经济是目标；经济是目标

49、； 先进性必须以设备的功能、安全、经济性为前提，并先进性必须以设备的功能、安全、经济性为前提，并 在这三个方面得到体现。在这三个方面得到体现。 注意事项：注意事项： 对待工程设计的态度决定了设计的成败；对待工程设计的态度决定了设计的成败； 设备设计必须有系统思想；设备设计必须有系统思想； 设计依据必须充分；设计依据必须充分； 设计方案的论证是关键；设计方案的论证是关键； 必须遵循设计规范；必须遵循设计规范； 工程设计可以不完美，但绝不能有错误；工程设计可以不完美，但绝不能有错误； 没有哪个设计是十全十美的；没有哪个设计是十全十美的； 相关技术问题的有效解决是达成合格设计的前提；相关技术问题的有

50、效解决是达成合格设计的前提； 先进、高效的设计手段是达成优秀设计作品的有力保证。先进、高效的设计手段是达成优秀设计作品的有力保证。4.1.2 设计文件设计文件包括：包括：a. 设计任务书；设计任务书；b. 设计参数；设计参数；c. 设计方案论证；设计方案论证；d. 设计图纸，包括装配图和零部件图；设计图纸，包括装配图和零部件图；e. 设计说明书，包括工艺设计、强度设计、结构设计说明书，包括工艺设计、强度设计、结构设计等内容。设计等内容。4.2 设计准则设计准则4.2.1 压力容器失效压力容器失效 压力容器在使用条件和使用时间内，因尺寸、形压力容器在使用条件和使用时间内，因尺寸、形状或材料的性能

51、发生改变而不能继续使用的现象称为状或材料的性能发生改变而不能继续使用的现象称为失效。失效。失效形式：失效形式：n强度失效强度失效n刚度失效刚度失效n失稳失效失稳失效n泄漏失效泄漏失效a. 强度失效强度失效韧性失效韧性失效断裂前有明显的塑性变形。厚度断裂前有明显的塑性变形。厚度过薄或压力过高是主要原因。过薄或压力过高是主要原因。脆性失效脆性失效断裂前无明显的塑性变形。脆性断裂前无明显的塑性变形。脆性材料或材料存在严重缺陷是主要原因。材料或材料存在严重缺陷是主要原因。疲劳断裂失效疲劳断裂失效在交变载荷作用下，经历一在交变载荷作用下，经历一段时间后，突然断裂。材料脆性或有裂纹或腐段时间后，突然断裂。

52、材料脆性或有裂纹或腐蚀疲劳等是主要因素。蚀疲劳等是主要因素。蠕变断裂失效蠕变断裂失效容器在高温下长期承载，逐容器在高温下长期承载，逐步发生蠕变变形，最终断裂。步发生蠕变变形，最终断裂。腐蚀断裂失效腐蚀断裂失效腐蚀导致壁厚减薄，或局部腐蚀导致壁厚减薄，或局部腐蚀导致断裂。腐蚀导致断裂。b. 刚度失效刚度失效过度的弹性变形使设备无法使用。过度的弹性变形使设备无法使用。c. 失稳失效失稳失效外压容器或受压杆件的失效。外压容器或受压杆件的失效。d. 泄漏失效泄漏失效物料泄漏量超过规定的设备。物料泄漏量超过规定的设备。4.2.2 失效判据与设计准则失效判据与设计准则问题：如何判定设备是否会失效？问题：如

53、何判定设备是否会失效？a. 失效判据失效判据 对各种失效形式，以相应物理量是否超过对各种失效形式，以相应物理量是否超过某个值作为失效与否的判据。某个值作为失效与否的判据。使用失效判据的优缺点：使用失效判据的优缺点：优点：直观且物理意义明确；优点：直观且物理意义明确； 缺点：使用的可靠性低；缺点：使用的可靠性低； 例如：例如： 不同企业制造的不同企业制造的Q235钢，力学和化学指标是有钢，力学和化学指标是有差别的；差别的； 不同企业加工的产品；不同企业加工的产品； 各种判据的定量指标的获取是有误差的或是其各种判据的定量指标的获取是有误差的或是其使用场合有限制的话。使用场合有限制的话。b.设计准则

54、设计准则理想气体理想气体 真实气体；理想叶轮真实气体；理想叶轮 真实叶轮真实叶轮失效判据失效判据 设计准则设计准则 强度失效设计准则强度失效设计准则 刚度失效设计准则刚度失效设计准则设计准则设计准则 稳定失效设计准则稳定失效设计准则 泄漏失效设计准则泄漏失效设计准则修正修正修正修正修正修正安全系数安全系数 失效形式分析失效形式分析可能形式可能形式1可能形式可能形式2可能形式可能形式3选择相应设计准则选择相应设计准则1选择相应设计准则选择相应设计准则2选择相应设计准则选择相应设计准则3确定设计规范标准确定设计规范标准2设计结果设计结果2确定设计规范标准确定设计规范标准1设计结果设计结果1确定设计

55、规范标准确定设计规范标准3设计结果设计结果3比较比较设计结果设计结果4.2.3 强度失效设计准则强度失效设计准则 弹性失效设计准则一弹性失效设计准则一 为最大拉应力，为最大拉应力， 为设计温度下的许用为设计温度下的许用应力。称为最大拉应力准则。应力。称为最大拉应力准则。t11ts 弹性失效设计准则二弹性失效设计准则二（最大剪应力理论）（最大剪应力理论）s31 t310max312 弹性失效设计准则三（形状改变能理论）弹性失效设计准则三（形状改变能理论） 外力外力 变形变形 能量能量 变形能变形能当比变形能当比变形能临界比变形能临界比变形能 失效！失效！21323222121s 21323222

56、121t塑性失效设计准则塑性失效设计准则判据：材料整体屈服为失效判据：材料整体屈服为失效 整体失效载荷；整体失效载荷； 安全系数安全系数0spp 00ssnpp 0sp0sn 爆破失效设计准则爆破失效设计准则(爆破为失效爆破为失效) 爆破压力爆破压力 安全系数安全系数bpbnbbnpp 安定设计准则安定设计准则 局部材料屈服但塑性变形不会持续增加，周围材料局部材料屈服但塑性变形不会持续增加，周围材料仍处于弹性状态时，设备处于安定状态，不会失效！仍处于弹性状态时，设备处于安定状态，不会失效！ 疲劳失效设计准则疲劳失效设计准则 注意：腐蚀疲劳的特点注意：腐蚀疲劳的特点 蠕变失效设计准则蠕变失效设计

57、准则 脆性断裂设计准则脆性断裂设计准则4.2.4 刚度失效设计准则刚度失效设计准则刚度的物理意义？刚度的物理意义？位移位移=许可位移许可位移 不失效！不失效！例如：传动轴的许可位移为例如：传动轴的许可位移为0.51.0度度/米米注意：位移为广义位移注意：位移为广义位移4.2.5 稳定失效设计准则稳定失效设计准则即：承载压力即：承载压力临界压力临界压力 ppcr4.2.6 泄漏失效设计准则泄漏失效设计准则4.3 工程设计的过去、现在、将来工程设计的过去、现在、将来工程设计？工程设计？ 有目标有目标 有手段有手段 非实体作品非实体作品 运用科技方法和知识，有目标地创造工程产运用科技方法和知识，有目

58、标地创造工程产品的构思过程和计划过程。品的构思过程和计划过程。例如：？例如：？ 工具工具 生活资料生活资料 公共工程公共工程 家庭用品家庭用品 仪器仪器 运载工具运载工具 武器武器 服装服装 设备设备 计算机计算机 软件软件 电子产品电子产品工程设计涉及人类工程设计涉及人类生活的各个方面！生活的各个方面！工程设计的费用工程设计的费用1977年河南出土的距今年河南出土的距今7000年的用于价格谷物的石年的用于价格谷物的石磨盘和磨棒磨盘和磨棒功能！功能！合理性！合理性！设计特点：经验、灵感设计特点：经验、灵感1973山东出土的距今山东出土的距今4000多年多年的黑陶高柄杯的黑陶高柄杯高高265mm

59、厚、厚、0.20.3mm功能！功能！结构！结构！制造工艺！制造工艺！132年张衡年张衡 候风地动仪候风地动仪数学、自然科学知数学、自然科学知识和原理的应用识和原理的应用1852年德国学者年德国学者Redtenbacher：机械设计的力学和方法学：机械设计的力学和方法学40年代年代Kesslring提出工程设计的提出工程设计的5项评价标准：项评价标准：a.最低成本原理最低成本原理b.最小尺寸原理最小尺寸原理c.最小质量原理最小质量原理d.最低损耗原理最低损耗原理e.最方便操作原理最方便操作原理60年代以后：年代以后： 工程设计：工程设计：方案设计方案设计 技术设计技术设计 工艺设计工艺设计60年

60、代以后年代以后项目研究项目研究系统预研系统预研系统开发系统开发系统制度系统制度系统运行系统运行分析分析综合综合分析分析评价评价决策决策目标目标社会社会经济经济政治政治人文人文法律法律环境环境工程设计工程设计造型艺术造型艺术自然科学自然科学工程科学工程科学管理科学管理科学工程设计的基础与环境工程设计的基础与环境现代工程设计现代工程设计和产品开发的和产品开发的核心因素核心因素生态环境生态环境法律环境法律环境技术环境技术环境质量质量时间时间成本成本用户需求用户需求市场竞争市场竞争现代工程设计的发展趋势：现代工程设计的发展趋势：a. 设计过程的数字化设计过程的数字化设计与开发过程设计与开发过程生产与营