內(nèi)壓薄壁容器的應力.ppt

1,第三章 內(nèi)壓薄壁容器的應力分析,3.1 回轉(zhuǎn)殼體的應力分析 薄膜理論簡介 3.1.1 薄壁容器及其應力特點 化工容器和化工設備的外殼，一般都屬于薄壁回轉(zhuǎn)殼體： S / Di 0.1 或 D0 / Di 1.2 在介質(zhì)壓力作用下殼體壁內(nèi)存在環(huán)向應力和經(jīng)（軸）向應力。,2,薄膜理論與有矩理論概念：,計算殼壁應力有如下理論： （1）無矩理論，即薄膜理論。 假定殼壁如同薄膜一樣，只承受拉應力和壓應力，完全不能承受彎矩和彎曲應力。殼壁內(nèi)的應力即為薄膜應力。,3,（2）有矩理論。殼壁內(nèi)存在除拉應力或壓應力外，還存在彎曲應力。 在工程實際中，理想的薄壁殼體是不存在的，因為即使殼壁很薄，殼體中還會或多或少地存在一些彎曲應力，所以無矩理論有其近似性和局限性。由于彎曲應力一般很小，如略去不計，其誤差仍在工程計算的允許范圍內(nèi)，而計算方法大大簡化，所以工程計算中常采用無矩理論。,4,3.1.2 基本概念與基本假設,1. 基本概念 回轉(zhuǎn)殼體 由直線或平面曲線繞其同平面內(nèi)的固定軸旋轉(zhuǎn)3600而成的殼體。,回轉(zhuǎn)殼體的形成,5,幾個典型回轉(zhuǎn)殼體,6,軸對稱指殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都對稱于回轉(zhuǎn)軸。,與殼體內(nèi)外表面等距離的曲面,中間面,母線：,即那條平面曲線,7,法線：,經(jīng)線：,過經(jīng)線任一點垂直中間面的直線,過軸線的平面與中間面的交線,緯線(平形圓)：,作圓錐面與殼體中間面正交，所得交線。,8,第一曲率半徑,第二曲率半徑,9,2.基本假設：,（1）小位移假設。殼體受壓變形，各點位移都小于壁厚。簡化計算。 （2）直法線假設。沿厚度各點法向位移均相同，即厚度不變。 （3）不擠壓假設。沿壁厚各層纖維互不擠壓，即法向應力為零。,10,3.1.3 經(jīng)向應力計算區(qū)域平衡方程,11,經(jīng)向應力計算公式：,(MPa),式中sm-經(jīng)向應力； p-介質(zhì)內(nèi)壓，（MPa）； R2-第二曲率半徑，（mm)； S-殼體壁厚，（mm）。,12,3.1.4 環(huán)向應力計算微體平衡方程,13,環(huán)向應力計算公式 微體平衡方程,式中 sm-經(jīng)向應力（MPa); sq-環(huán)向應力（MPa）； R1-第一曲率半徑（mm）； R2-第二曲率半徑（mm）； p-介質(zhì)壓力（MPa）； S-殼體壁厚（mm)。,14,3.1.5薄膜理論的應用范圍,1.材料是均勻的，各向同性的。 厚度無突變，材料物理性能相同； 2.軸對稱幾何軸對稱，材料軸對稱，載荷軸對稱，支撐軸對稱； 3.連續(xù)幾何連續(xù)，載荷（支撐）分布連續(xù)，材料連續(xù)。 4.殼體邊界力在殼體曲面的切平面內(nèi)。 無橫向剪力和彎距作用，自由支撐等；,15,典型殼體受氣體內(nèi)壓時存在的應力：,環(huán)向應力,經(jīng)向應力,圓錐殼體,圓柱殼體,經(jīng)向應力,環(huán)向應力,16,3.2 薄膜理論的應用,3.2.1.受氣體內(nèi)壓的圓筒形殼體,式中R2=D/2 則,2.環(huán)向應力：由,式中 p,S 為已知，而R1= , 帶入上式，解得,！圓筒體上任一點處，,1.經(jīng)向應力 ：,圓柱殼壁內(nèi)應力分布,動腦筋 ?,(A),(B),(C), ,韌性破壞-照片,實例,圓柱殼應力分布結(jié)論,1、 =2 m 圓柱殼的縱向截面是薄弱截面。,2、圓柱殼的承壓能力取決于厚徑比（S/D），并非厚度越大承壓能力越好。,22,3.2.2.受氣體內(nèi)壓的球形殼體,用場：球形容器，半球形封頭，無折邊球形封頭等。,23,半球形封頭,無折邊球形封頭,半球形封頭,無折邊球形封頭,25,條件相同時，球殼內(nèi)應力與圓筒形殼體的經(jīng)向應力相同，為圓筒殼內(nèi)環(huán)向應力的一半。,球殼的 R1 = R2 ,則,球殼應力分布結(jié)論,1、球殼各點= m 說明球殼的薄膜應力分布十分均勻。,2、在載荷和幾何條件相同的情況下，球殼的最大應力只是圓柱殼的一半，故球殼的承壓能力比圓柱殼好。,27,3.2.3 受氣體內(nèi)壓的橢球殼,用場：橢圓形封頭。 成型：1/4橢圓線繞同平面Y軸旋轉(zhuǎn)而成。,橢圓形封頭,（橢球殼）,29,橢球殼的長半軸a 短半軸b 橢球殼頂點坐標：（0,b） 邊緣坐標：(a,0),30,橢球殼應力計算公式：,應力分布分析： x=0 ,即橢球殼的頂點處,x=a, 即橢球殼的邊緣處,sm是常量，sq 是a/b的函數(shù)。即受橢球殼的結(jié)構(gòu)影響。,兩向應力相等，均為拉應力。,31,標準橢球殼的應力分布,標準橢球殼指 a / b = 2,1.橢球殼的幾何是否連續(xù)？ 2.環(huán)向應力在橢球殼與圓筒殼連接點處有突變，為什麼？,33,3.2.4 受氣體內(nèi)壓的錐形殼體,.用場：容器的錐底封頭，塔體之間的變徑段，儲槽頂蓋等。,錐形封頭,35,.應力計算,錐殼上任一點A處的應力計算公式：R1= R2= r/cosa 式中r-A點的平行圓半徑; -半錐角， S-錐殼壁厚。,由薄膜理論公式得,應力大小與 r 成正比，最大 r 為D/2,則最大應力為：,36,.錐殼的應力分布,1.圓筒殼與錐殼連接處應力突變，為什麼？從結(jié)構(gòu)上如何解決？ 2.半錐角越大，錐殼上的最高應力如何變化？ 3.在錐殼上那個位置開孔，強度削弱最??？,圓錐殼應力分布結(jié)論,1、圓錐殼兩向應力均與x成線性關(guān)系，離錐頂越遠，應力越大。,2、圓錐殼兩向應力隨的增大而增大，故錐殼的半頂角不宜過大。,38,3.2.5受氣體內(nèi)壓的碟形殼,.碟形殼的形成： 母線abc=半徑為R的圓弧ab + 半徑為r1的圓弧bc 碟形殼的構(gòu)成： 半徑為R的球殼 +半徑為r1的褶邊,39,蝶形封頭,40,.幾何特征 a. 母線abc是不連續(xù)的，即R1不連續(xù)，在 b點發(fā)生突變： 球殼部分R1= R; 褶邊部分R1= r1 。 b. R2是連續(xù)的變量。 球殼部分 R2= R； 摺邊部分,41, 碟形殼的應力分布,1.b點和c點的R1,R2如何變化？ 2.碟形殼與圓筒殼連接點處應力狀態(tài)如何？,42,3.3 內(nèi)壓容器邊緣應力簡介,3.3.1 邊緣應力概念 壓力容器邊緣指“不連續(xù)處”，主要是幾何不連續(xù)及載荷（支撐）不連續(xù)處，以及溫度不連續(xù)，材料不連續(xù)等處。 例如：幾何不連續(xù)處：,43,溫度不連續(xù)：,材料不連續(xù)：,在不連續(xù)點處，由于介質(zhì)壓力及溫度作用，除了產(chǎn)生薄膜應力外，還發(fā)生變形協(xié)調(diào)，導致了附加內(nèi)力的產(chǎn)生。,44,邊緣處產(chǎn)生附加內(nèi)力： M0-附加彎矩； Q0-附加剪力。,邊緣應力的產(chǎn)生,45,邊緣應力的產(chǎn)生,46,3.3.2 邊緣應力特點,（1）.局部性,只產(chǎn)生在一局部區(qū)域內(nèi)，邊緣應力衰減很快。見如下測試結(jié)果：,2、導線的連接與固定,3、應變測量, 測點選擇和布片方案的確定 工作片、補償片和預調(diào)平衡箱、電阻應變儀的連接。 容器內(nèi)氣體的排除 預加載和卸載 預調(diào)平衡、應變測量。 系統(tǒng)卸載，關(guān)閉電機和測量儀器。,應變測量步驟,59,（2）.自限性 邊緣應力是由于不連續(xù)點的兩側(cè)產(chǎn)生相互約束而出現(xiàn)的附加應力。 當邊緣處的附加應力達到材料屈服極限時，相互約束便緩解了，不會無限制地增大。,60,3.3.3 對邊緣應力的處理,1.利用局部性特點局部處理。 如：改變邊緣結(jié)構(gòu)，邊緣局部加強，筒體縱向焊縫錯開焊接，焊縫與邊緣離開，焊后熱處理等。,61,2.利用自限性保證材料塑性,可以使邊緣應力不會過大，避免產(chǎn)生裂紋。 尤其對低溫容器