2026年化工机械设计期末试题及答案

2026年化工机械设计期末试题及答案一、填空题（每空1分，共20分）1.压力容器按设计压力p可分为低压、中压、高压和超高压四个等级。低压容器的压力范围是0.1 MPa≤p2.内压薄壁圆筒受到的薄膜应力中，环向应力σθ约为轴向应力σz的3.Q345R钢中字母Q表示__，数字345表示__。4.压力容器法兰密封面常见型式有平面、__和__。5.压力容器开孔补强常用结构有补强圈补强、__和__。6.搅拌器常用的基本型式有桨式、涡轮式、推进式、__和__。7.管壳式换热器按管板和壳体的连接方式不同，可分为固定管板式、__、__和填料函式等。8.外压圆筒的主要失效形式是__，工程上通过引入稳定安全系数m得到__。9.焊接接头系数ϕ与__和__有关。10.压力容器的耐压试验通常采用__试验，对不适宜充液的容器可采用__试验。二、单项选择题（每题2分，共20分）1.内压薄壁圆筒上最大的薄膜应力是（）。A.轴向应力B.环向应力C.径向应力D.剪切应力2.设计压力p与计算压力pcA.pB.pC.pD.pc与p3.中压容器的设计压力范围是（）。A.0.1B.1.6C.10.0D.p4.在外压圆筒上设置加强圈的主要目的是（）。A.提高材料的屈服强度B.提高临界压力，防止过早失稳C.减小圆筒的内径D.改善圆筒的焊接质量5.法兰连接中，垫片选择应主要考虑（）。A.螺栓的强度等级B.介质腐蚀性、温度和压力C.法兰厚度D.接管直径6.不适用于承受交变载荷和疲劳强度要求较高压力容器的补强结构是（）。A.补强圈补强B.厚壁接管补强C.整体补强D.堆焊补强7.在湍流搅拌条件下，搅拌功率P与搅拌转速n的关系为（）。A.PB.PC.PD.P8.管壳式换热器中，温差应力较小、结构简单、但密封性能相对较差的结构是（）。A.固定管板式B.浮头式C.U形管式D.填料函式9.钢制压力容器液压试验压力一般取（）。A.设计压力的1.05倍B.工作压力的1.25倍C.设计压力的1.25倍，并满足最低压力要求D.设计压力的2倍10.压力容器用安全阀的开启压力应当（）。A.高于设计压力B.等于爆破压力C.不高于设计压力D.等于工作压力三、判断题（每题1分，共10分）1.内压薄壁圆筒的轴向应力约为环向应力的一半。2.外压圆筒的临界压力与材料的弹性模量无关。3.法兰垫片越宽，所需螺栓预紧力越大，密封效果一定越好。4.压力容器上的所有开孔接管都必须进行补强计算。5.在湍流区，搅拌功率与桨径的5次方成正比。6.提高换热器内流体流速可以强化传热，但会增大流动阻力。7.设计温度通常取容器在正常工作条件下金属可能达到的最高温度或最低温度。8.气压试验比液压试验更安全，因此应优先采用气压试验。9.焊接接头系数ϕ最大可取得1.0。10.浮头式换热器能够完全消除温差应力。四、简答题（每题5分，共20分）1.简述压力容器设计压力的确定原则。2.简述外压圆筒失稳的特点及设置加强圈的作用。3.说明法兰连接的密封原理及影响密封的主要因素。4.推进式、涡轮式和锚式搅拌器的适用黏度范围及流动特点是什么？五、计算题（每题10分，共30分）1.某内压圆筒形容器，内径Di=2000 mm，计算压力pc=1.6(1)圆筒计算厚度δ；(2)设计厚度δd(3)名义厚度δn$$\delta=\frac{p_cD_i}{2[\sigma]^t\phi-p_c}

=\frac{1.6\times2000}{2\times170\times0.85-1.6}

=\frac{3200}{287.4}

\approx11.13\\mathrm{mm}$$设计厚度：δ名义厚度：δ将δd=13.13 mδ解析：内压圆筒壁厚计算公式由第一强度理论和薄膜应力分析导出。设计厚度中计入腐蚀裕量，名义厚度还应考虑钢板负偏差和圆整量。2.某外压圆筒，外径Do=1200 mm，计算长度L=$$L_{cr}=1.17D_o\sqrt{\frac{D_o}{\delta_e}}

=1.17\times1200\times\sqrt{\frac{1200}{10}}

=1.17\times1200\times\sqrt{120}

\approx15370\\mathrm{mm}$$由于：L故该圆筒属于短圆筒。短圆筒临界压力：p代入数据：$$p_{cr}=\frac{2.59\times2.01\times10^5\times10^2}{4000\times1200\times\sqrt{120}}

\approx\frac{2.59\times2.01\times10^5\times100}{4000\times1200\times10.95}

\approx0.99\\mathrm{MPa}$$解析：外压圆筒按计算长度与临界长度的关系分为长圆筒和短圆筒。长圆筒临界压力与计算长度无关，短圆筒临界压力随计算长度增大而降低。3.某搅拌釜采用六片平直叶圆盘涡轮式搅拌器，桨径d=0.8 m，转速n=2 s−1，液体密度P代入数据：nd$$P=6.0\times1000\times8\times0.32768

\approx15728.6\\mathrm{W}

\approx15.73\\mathrm{kW}$$电机所需最小功率：$$P_e=\frac{P}{\eta\eta_t}

=\frac{15.73}{0.9\times0.95}

=\frac{15.73}{0.855}

\approx18.4\\mathrm{kW}$$因此选用额定功率不小于18.5 解析：功率准数法适用于搅拌功率估算。实际选用电机时还应考虑启动功率、搅拌器与釜内构件的影响，并留有适当裕量。参考答案与解析一、填空题1.答案：0.1；1.6；10.02.答案：环向解析：内压薄壁圆筒的环向应力σθ=p3.答案：屈服强度；常温下屈服强度下限值为345MPa4.答案：凹凸面；榫槽面5.答案：厚壁接管补强；整体补强6.答案：锚式；框式7.答案：浮头式；U形管式8.答案：失稳；许用外压力解析：外压圆筒失效为丧失稳定性而非材料强度破坏，许用外压[p9.答案：焊接接头形式；无损检测比例10.答案：液压；气压二、单项选择题1.答案：B解析：环向应力为轴向应力的2倍，是控制内压圆筒强度的最大应力。2.答案：A解析：计算压力不得低于设计压力；当液柱静压力较大时，还需将液柱静压力计入计算压力。3.答案：B解析：低压、中压、高压和超高压的压力分界值分别为1.6、10、100 4.答案：B解析：加强圈可以减小圆筒的计算长度，提高外压圆筒的临界压力，或在不提高失稳压力条件下减薄筒体壁厚。5.答案：B解析：垫片材料应耐介质腐蚀，并能在工作温度和压力下保持足够的弹塑性变形以形成密封。6.答案：A解析：补强圈与壳体之间通常采用角焊缝连接，存在明显局部应力集中，对疲劳寿命不利。7.答案：C解析：由功率准数关系P=8.答案：D解析：填料函式换热器的管束可以自由伸缩，温差应力小，但填料密封可靠性较低，易出现泄漏。9.答案：C解析：一般情况下液压试验压力取设计压力的1.25倍，同时不得低于标准规定的最低试验压力。10.答案：C解析：安全阀应在容器超压前起跳，其开启压力不得高于容器设计压力。三、判断题1.答案：正确解析：σz=p2.答案：错误解析：外压圆筒临界压力与材料的弹性模量E有关，弹性模量越大，临界压力越高。3.答案：错误解析：垫片过宽需要更大预紧力，同时可能降低垫片上的压紧应力，反而不利于密封。4.答案：错误解析：满足标准规定条件的开孔可不另作补强，未满足条件的开孔才需要进行补强计算。5.答案：正确解析：由P=Np6.答案：正确解析：流速增大可提高传热系数，但压力降也随流速增加而增大，设计时需综合权衡。7.答案：正确解析：设计温度是容器设计的重要参数，应取金属元件可能达到的最高或最低工作温度。8.答案：错误解析：气体可压缩，气压试验时储存的能量远大于液压试验，爆破危险性更高，因此应优先采用液压试验。9.答案：正确解析：双面焊对接焊缝并经100%无损检测时，焊接接头系数可取1.010.答案：错误解析：浮头式换热器只能减少或缓解温差应力，不能完全消除。四、简答题1.答案：(1)设计压力p应不低于容器在正常操作情况下可能出现的最高工作压力；(2)装有安全阀时，设计压力可取安全阀的开启压力；(3)若容器内液柱静压力较大，计算压力pc(4)设计压力还应满足相应标准规范规定的最低压力值。解析：设计压力是压力容器强度计算的基本参数，取值过高会造成材料浪费，过低则不安全，因此需综合考虑最高工作压力和超压保护装置。2.答案：外压圆筒在达到临界压力时，筒体突然失去原有形状，被压瘪或出现波形，这种失效形式称为失稳，它不同于强度破坏。设置加强圈可以减小圆筒的计算长度，提高临界压力，从而在不增加壁厚的条件下提高外压容器的承载能力。解析：外压圆筒分为长圆筒和短圆筒。短圆筒临界压力与计算长度有关，加强圈通过减小计算长度来提高临界压力。3.答案：法兰密封通过螺栓预紧力压紧垫片，使垫片产生弹塑性变形填满法兰密封面间的微孔隙，从而达到密封。工作时，螺栓拉力须抵抗内压产生的轴向力，并保证垫片上仍有足够的残余压紧应力。影响密封的主要因素包括：螺栓预紧力、法兰刚度、垫片材料性能和宽度、密封面型式、介质压力与温度等。解析：预紧力过小不能形成初始密封，过