內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力ppt課件

第三章內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析,3.1回轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力分析薄膜理論簡(jiǎn)介3.1.1薄壁容器及其應(yīng)力特點(diǎn)化工容器和化工設(shè)備的外殼，一般都屬于薄壁回轉(zhuǎn)殼體：S/Di0.1或D0/Di1.2在介質(zhì)壓力作用下殼體壁內(nèi)存在環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)（軸）向應(yīng)力。,1,薄膜理論與有矩理論概念：,計(jì)算殼壁應(yīng)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(yīng)力和壓應(yīng)力，完全不能承受彎矩和彎曲應(yīng)力。殼壁內(nèi)的應(yīng)力即為薄膜應(yīng)力。,2,（2）有矩理論。殼壁內(nèi)存在除拉應(yīng)力或壓應(yīng)力外，還存在彎曲應(yīng)力。在工程實(shí)際中，理想的薄壁殼體是不存在的，因?yàn)榧词箽け诤鼙。瑲んw中還會(huì)或多或少地存在一些彎曲應(yīng)力，所以無矩理論有其近似性和局限性。由于彎曲應(yīng)力一般很小，如略去不計(jì)，其誤差仍在工程計(jì)算的允許范圍內(nèi)，而計(jì)算方法大大簡(jiǎn)化，所以工程計(jì)算中常采用無矩理論。,3,內(nèi)力,無力矩理論（薄膜理論）,有力矩理論（彎曲理論）,無力矩理論和有力矩理論,載荷,軸對(duì)稱,4,幾點(diǎn)提示,5,3.1.2基本概念與基本假設(shè),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,6,幾個(gè)典型回轉(zhuǎn)殼體,7,軸對(duì)稱指殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都對(duì)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,8,法線：,經(jīng)線：,過經(jīng)線任一點(diǎn)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。,9,第一曲率半徑,第二曲率半徑,回轉(zhuǎn)薄殼幾何要素,10,2.基本假設(shè)：,（1）小位移假設(shè)。殼體受壓變形，各點(diǎn)位移都小于壁厚。簡(jiǎn)化計(jì)算。（2）直法線假設(shè)。沿厚度各點(diǎn)法向位移均相同，即厚度不變。（3）不擠壓假設(shè)。沿壁厚各層纖維互不擠壓，即法向應(yīng)力為零。,11,3.1.3經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算區(qū)域平衡方程,12,經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算公式：,(MPa),式中sm-經(jīng)向應(yīng)力；p-介質(zhì)內(nèi)壓，（MPa）；R2-第二曲率半徑，（mm)；S-殼體壁厚，（mm）。,13,3.1.4環(huán)向應(yīng)力計(jì)算微體平衡方程,14,環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式微體平衡方程,式中sm-經(jīng)向應(yīng)力（MPa);sq-環(huán)向應(yīng)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)。,15,微體平衡方程的推導(dǎo),16,17,18,19,3.1.5薄膜理論的應(yīng)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(duì)稱幾何軸對(duì)稱，材料軸對(duì)稱，載荷軸對(duì)稱，支撐軸對(duì)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；,20,典型殼體受氣體內(nèi)壓時(shí)存在的應(yīng)力：,環(huán)向應(yīng)力,經(jīng)向應(yīng)力,圓錐殼體,圓柱殼體,經(jīng)向應(yīng)力,環(huán)向應(yīng)力,21,3.2薄膜理論的應(yīng)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(yīng)力：由,式中p,S為已知，而R1=,帶入上式，解得,！圓筒體上任一點(diǎn)處，,1.經(jīng)向應(yīng)力：,22,圓柱殼壁內(nèi)應(yīng)力分布,23,動(dòng)腦筋?,(A),(B),(C),24,韌性破壞-照片,25,實(shí)例,26,圓柱殼應(yīng)力分布結(jié)論,1、=2m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。,27,3.2.2.受氣體內(nèi)壓的球形殼體,用場(chǎng)：球形容器，半球形封頭，無折邊球形封頭等。,28,半球形封頭,無折邊球形封頭,29,條件相同時(shí)，球殼內(nèi)應(yīng)力與圓筒形殼體的經(jīng)向應(yīng)力相同，為圓筒殼內(nèi)環(huán)向應(yīng)力的一半。,球殼的R1=R2,則,30,球殼應(yīng)力分布結(jié)論,1、球殼各點(diǎn)=m說明球殼的薄膜應(yīng)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(yīng)力只是圓柱殼的一半，故球殼的承壓能力比圓柱殼好。,31,3.2.3受氣體內(nèi)壓的橢球殼,用場(chǎng)：橢圓形封頭。成型：1/4橢圓線繞同平面Y軸旋轉(zhuǎn)而成。,32,橢圓形封頭,（橢球殼）,33,橢球殼的長(zhǎng)半軸a短半軸b橢球殼頂點(diǎn)坐標(biāo)：（0,b）邊緣坐標(biāo)：（a,0）,34,橢球殼應(yīng)力計(jì)算公式：,應(yīng)力分布分析：x=0,即橢球殼的頂點(diǎn)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(yīng)力相等，均為拉應(yīng)力。,35,36,Pa/2S,Pa/2S,Pa/2S,37,標(biāo)準(zhǔn)橢球殼的應(yīng)力分布,標(biāo)準(zhǔn)橢球殼指a/b=2,1.橢球殼的幾何是否連續(xù)？2.環(huán)向應(yīng)力在橢球殼與圓筒殼連接點(diǎn)處有突變，為什麼？,38,思考,考慮封頭上不同形狀殼體交界點(diǎn)處的應(yīng)力,39,3.2.4受氣體內(nèi)壓的錐形殼體,.用場(chǎng)：容器的錐底封頭，塔體之間的變徑段，儲(chǔ)槽頂蓋等。,40,錐形封頭,41,.應(yīng)力計(jì)算,錐殼上任一點(diǎn)A處的應(yīng)力計(jì)算公式：R1=R2=r/cosa式中r-A點(diǎn)的平行圓半徑;-半錐角，S-錐殼壁厚。,由薄膜理論公式得,應(yīng)力大小與r成正比，最大r為D/2,則最大應(yīng)力為：,42,.錐殼的應(yīng)力分布,1.圓筒殼與錐殼連接處應(yīng)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(yīng)力如何變化？3.在錐殼上那個(gè)位置開孔，強(qiáng)度削弱最?。?43,圓錐殼應(yīng)力分布結(jié)論,1、圓錐殼兩向應(yīng)力均與x成線性關(guān)系，離錐頂越遠(yuǎn)，應(yīng)力越大。,2、圓錐殼兩向應(yīng)力隨的增大而增大，故錐殼的半頂角不宜過大。,44,3.2.5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,45,蝶形封頭,46,.幾何特征a.母線abc是不連續(xù)的，即R1不連續(xù)，在b點(diǎn)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,47,碟形殼的應(yīng)力分布,1.b點(diǎn)和c點(diǎn)的R1,R2如何變化？2.碟形殼與圓筒殼連接點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)如何？,48,1、殼體的曲率、厚度、載荷沒有突變，材料的物理性質(zhì)相同。,2、殼體邊界上沒有力矩和橫向力的作用。,3、殼體邊界上的法向位移和轉(zhuǎn)角不受限制（殼體邊界上的約束只能沿經(jīng)線的切線方向）,無力矩理論的應(yīng)用條件,49,3.3內(nèi)壓容器邊緣應(yīng)力簡(jiǎn)介,3.3.1邊緣應(yīng)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：,50,溫度不連續(xù)：,材料不連續(xù)：,在不連續(xù)點(diǎn)處，由于介質(zhì)壓力及溫度作用，除了產(chǎn)生薄膜應(yīng)力外，還發(fā)生變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)致了附加內(nèi)力的產(chǎn)生。,51,舉例,52,邊緣處產(chǎn)生附加內(nèi)力：M0-附加彎矩；Q0-附加剪力。,邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生,53,邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生,54,3.3.2邊緣應(yīng)力特點(diǎn),（1）.局部性,只產(chǎn)生在一局部區(qū)域內(nèi)，邊緣應(yīng)力衰減很快。見如下測(cè)試結(jié)果：,55,56,57,2、導(dǎo)線的連接與固定,58,59,3、應(yīng)變測(cè)量,60,測(cè)點(diǎn)選擇和布片方案的確定工作片、補(bǔ)償片和預(yù)調(diào)平衡箱、電阻應(yīng)變儀的連接。容器內(nèi)氣體的排除預(yù)加載和卸載預(yù)調(diào)平衡、應(yīng)變測(cè)量。系統(tǒng)卸載，關(guān)閉電機(jī)和測(cè)量?jī)x器。,應(yīng)變測(cè)量步驟,61,62,63,64,65,66,67,（2）.自限性邊緣應(yīng)力是由于不連續(xù)點(diǎn)的兩側(cè)產(chǎn)生相互約束而出現(xiàn)的附加應(yīng)力。當(dāng)邊緣處的附加應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限時(shí)，相互約束便緩解了，不會(huì)無限制地增大。,68,容器中的應(yīng)力分類-分三大類,容器的應(yīng)力分類,一次應(yīng)力,二次應(yīng)力,峰值應(yīng)力,69,容器中的應(yīng)力分類-一次應(yīng)力,容器的應(yīng)力分類,當(dāng)一次應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時(shí)會(huì)引起容器的顯著變形或失效，對(duì)容器的失效影響最大,可分為三種,是平衡外加載荷所需的應(yīng)力，滿足外載與內(nèi)力及內(nèi)力矩的平衡，具有非自限性,70,容器的應(yīng)力分類,一次總體薄膜應(yīng)力Pm,薄膜應(yīng)力指沿厚度均勻分布的應(yīng)力，等于沿壁厚方向的應(yīng)力平均值,典型實(shí)例：薄壁圓筒或球殼中遠(yuǎn)離不連續(xù)區(qū)域的薄膜應(yīng)力，或厚壁筒中的軸向應(yīng)力及周向應(yīng)力的平均值,容器總體范圍內(nèi)存在的薄膜應(yīng)力,71,容器的應(yīng)力分類,一次彎曲應(yīng)力Pb,與一次總體薄膜應(yīng)力的不同之處在于沿壁厚的分布是線形的還是均勻的,典型實(shí)例：平板封頭圓離不連續(xù)區(qū)的中央部位在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。,是指由內(nèi)壓或其它機(jī)械載荷作用產(chǎn)生的沿壁厚線形分布的應(yīng)力,72,容器的應(yīng)力分類,一次局部薄膜應(yīng)力PL,“局部”和“整體”是按照經(jīng)線方向的作用區(qū)域來劃分的,是指由內(nèi)壓或其它機(jī)械載荷在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力（一次的）和不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力（二次的）統(tǒng)稱為一次局部薄膜應(yīng)力,典型實(shí)例：圓筒中內(nèi)壓在不連續(xù)區(qū)產(chǎn)生的周向薄膜應(yīng)力，雖具有二次應(yīng)力的性質(zhì)，但從方便及穩(wěn)妥的角度視為一次性質(zhì)應(yīng)力,73,容器的應(yīng)力分類,二次應(yīng)力Q,二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，而是由于變形協(xié)調(diào)中產(chǎn)生的，當(dāng)約束部位發(fā)生局部的屈服或小的塑性變形后得到協(xié)調(diào)，則產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因（變形差）得到滿足于緩和，不再繼續(xù)發(fā)展，自動(dòng)限制在某一范圍,是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)自身約束所引起的法向應(yīng)力或切應(yīng)力，具有自限性,典型例子：總體不連續(xù)部位中彎曲應(yīng)力；圓筒殼中軸向溫度梯度引起的熱應(yīng)力；徑向溫差引起的熱應(yīng)力的當(dāng)量線形分量；厚壁筒中由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力梯度。,74,容器的應(yīng)力分類,峰值應(yīng)力F,由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量，特點(diǎn)是高度的局部性。,局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)例子：結(jié)構(gòu)上的小半徑過渡圓角；部分未焊透及咬邊；裂紋。,局部熱應(yīng)力是指局部的熱膨脹差幾乎完全被限制的熱應(yīng)力，不可能引起結(jié)構(gòu)的顯著變形，如：小熱點(diǎn)處的熱應(yīng)力；堆焊層中的沿厚度方向的熱應(yīng)力；厚壁筒中由徑向溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力中非線性分量,75,容器的應(yīng)力分類,典型案例,76,3.3.3對(duì)邊緣應(yīng)力的處理,1.利用局部性特點(diǎn)局部處理。如：改變邊緣結(jié)構(gòu)，邊緣局部加強(qiáng)，筒體縱向焊縫錯(cuò)開焊接，焊縫與邊緣離開，焊后熱處理等。,77,降低局部應(yīng)力的措施,78,舉例,79,舉例,80,舉例,81,舉例