化工容器設(shè)計(jì)習(xí)題課(2)

1、習(xí)習(xí) 題題 課課 (2)(2)化工容器設(shè)計(jì)化工容器設(shè)計(jì)一高壓容器，根據(jù)第三強(qiáng)度理論，開(kāi)口圓筒與一高壓容器，根據(jù)第三強(qiáng)度理論，開(kāi)口圓筒與封閉圓筒計(jì)算得到的壁厚是否有區(qū)別？封閉圓筒計(jì)算得到的壁厚是否有區(qū)別？開(kāi)口：開(kāi)口：解：解：21211KPK20340 MPar 閉口：閉口：21211KPK221PK340 MPar 2e13221KPK根據(jù)第三強(qiáng)度理論：根據(jù)第三強(qiáng)度理論：根據(jù)第三強(qiáng)度理論：沒(méi)有區(qū)別沒(méi)有區(qū)別Q. Zhang, Z.W. Wang, C.Y. Tang, D.P. Hu, P.Q. Liu, L.Z. Xia. Analytical solution of the thermo-me

2、chanical stresses in a multilayered composite pressure vessel considering the influence of the closed ends. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2012, 98: 102-110要善于培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力要善于培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力實(shí)例實(shí)例1 1：P123P123頁(yè)，進(jìn)行自增強(qiáng)處理時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)淖栽鲰?yè)，進(jìn)行自增強(qiáng)處理時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)淖栽?強(qiáng)處理半徑十分關(guān)鍵。強(qiáng)處理半徑十分關(guān)鍵。實(shí)例實(shí)例2 2：焊接接頭系數(shù)，是由于結(jié)構(gòu)局部消弱

3、而強(qiáng)加給結(jié)焊接接頭系數(shù)，是由于結(jié)構(gòu)局部消弱而強(qiáng)加給結(jié) 構(gòu)整體的一種懲罰，是否可探究一種合理方法？構(gòu)整體的一種懲罰，是否可探究一種合理方法？實(shí)例實(shí)例3 3：開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)建議采用等強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)原則或者極限載荷開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)建議采用等強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)原則或者極限載荷 補(bǔ)強(qiáng)原則。那么怎樣實(shí)現(xiàn)極限載荷補(bǔ)強(qiáng)呢？補(bǔ)強(qiáng)原則。那么怎樣實(shí)現(xiàn)極限載荷補(bǔ)強(qiáng)呢？外壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)圖算法步驟外壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)圖算法步驟: :( (對(duì)對(duì) D Do o/ / e e 20 20 的圓筒和管子的圓筒和管子) )（1 1）假設(shè)假設(shè) n n ，令令 e e= = n n- -C C 計(jì)算計(jì)算L L/ /D Do o 和和D Do o/ / e e 值值（2

4、 2）求求 值值（A A值），查圖值），查圖3.273.27。 若若 L L/ /D Do o 50 , 50 , 則用則用L L/ /D Do o = 50 = 50 查圖查圖 若若 L L/ /D Do o0.05 , 0.05 , 則用則用L L/ /D Do o=0.05 =0.05 查圖查圖外壓容器設(shè)計(jì)（圖算法）外壓容器設(shè)計(jì)（圖算法）A 32 tEB（3 3）求求 B B 值值: : 根據(jù)所用材料，從圖根據(jù)所用材料，從圖3.283.28圖圖3.293.29中選出相應(yīng)中選出相應(yīng) 的算圖，在橫坐標(biāo)上找到的算圖，在橫坐標(biāo)上找到A A點(diǎn)。會(huì)遇到兩種情況：點(diǎn)。會(huì)遇到兩種情況：A A值所在點(diǎn)落在

5、所選曲線值所在點(diǎn)落在所選曲線右側(cè)，與曲線有交點(diǎn)，右側(cè)，與曲線有交點(diǎn)，B B值可由圖中直接查到；值可由圖中直接查到；A A值所在點(diǎn)落在曲線左側(cè)值所在點(diǎn)落在曲線左側(cè)，與曲線沒(méi)交點(diǎn)，與曲線沒(méi)交點(diǎn)，B B值可值可由公式計(jì)算得到：由公式計(jì)算得到：（4 4）求求 許用工作壓力許用工作壓力 p p eooeBpBDD即：（5 5）比較比較 若若PcPcP P 說(shuō)明假設(shè)的說(shuō)明假設(shè)的nn合適，可以采用，且安全；合適，可以采用，且安全； 若若PcPc P P 說(shuō)明假設(shè)的說(shuō)明假設(shè)的nn過(guò)大，會(huì)造成材料的浪費(fèi)，應(yīng)過(guò)大，會(huì)造成材料的浪費(fèi)，應(yīng) 重新假設(shè)小一點(diǎn)的重新假設(shè)小一點(diǎn)的nn，重復(fù)步的計(jì)算，重復(fù)步的計(jì)算， 直到直到P

6、cPcP P ； 若若PcPc P P 說(shuō)明假設(shè)的說(shuō)明假設(shè)的nn過(guò)小，是不安全的，應(yīng)重新假過(guò)小，是不安全的，應(yīng)重新假 設(shè)大一點(diǎn)的設(shè)大一點(diǎn)的nn，重復(fù)步的計(jì)算重復(fù)步的計(jì)算, ,直到直到 PcPcP P ；圖算法圖算法圖圖1 1 重構(gòu)的幾何重構(gòu)的幾何計(jì)算圖（計(jì)算圖（A A系數(shù)）系數(shù)）問(wèn)題：?jiǎn)栴}：A A，B B是如是如何繪制出來(lái)的？何繪制出來(lái)的？可否基于所學(xué)知可否基于所學(xué)知識(shí)自己重構(gòu)？識(shí)自己重構(gòu)？圖圖2 2 重構(gòu)的重構(gòu)的Q Q345厚度計(jì)算圖（厚度計(jì)算圖（B B系數(shù)）系數(shù)）P119： 4-1解：確定參數(shù)解：確定參數(shù)0010061.171.17 100617129.2 mm4.75creDLD6000

7、17129.2crLL 該容器屬于短圓筒該容器屬于短圓筒2t5P16mm C1mm =1000mm180 MPa2 10 MPa=C0.256000 mmmmnDEL（1）判斷圓筒類型）判斷圓筒類型e1260.25 14.75 mm100061006 mmnnoDCCD 非常重要，而作業(yè)中非常重要，而作業(yè)中仍有仍有10%10%同學(xué)未列出。同學(xué)未列出。（2 2）失穩(wěn)性質(zhì)）失穩(wěn)性質(zhì)1.5551.1.3 210064.75=1.3 2 10()=14.14 MPa60001006tcrooecreoP DDELD tP=14.14 MP8aP=0.1 MPa，滿足要求滿足要求。 按內(nèi)壓水壓試驗(yàn)校核按

8、內(nèi)壓水壓試驗(yàn)校核 PT=1.25p / t =1.250.1113/113=0.125 MPa()0.125(250020.7)7.6 MPa2220.70.9235 1.0211.5 MPa TieTesTspD 0.9 0.9 水壓試驗(yàn)校核是安全的。水壓試驗(yàn)校核是安全的。（2）設(shè)置）設(shè)置6個(gè)加強(qiáng)圈個(gè)加強(qiáng)圈 n=6+2=8 （包括兩個(gè)封頭）（包括兩個(gè)封頭）204172916.7 mm()71sLLn設(shè)設(shè)n=12 mm，則則 e=n-C= 12-0.8-2.5=8.7 mm， Do=Di+2n=2500+212=2524 mm。許多同學(xué)許多同學(xué)答錯(cuò)了答錯(cuò)了大部分同大部分同學(xué)都沒(méi)做學(xué)都沒(méi)做加強(qiáng)圈

9、最大間距：加強(qiáng)圈最大間距：2.5max52.52.59 ()(/)2.592 10(2524 8.7)3040 mm3 (0.1/2524)oeoE DLm p D max2916.73040sLL 取名義厚度為取名義厚度為12mm12mm合適。合適。P119：4-9解：解： 一一 釜體壁厚設(shè)計(jì)釜體壁厚設(shè)計(jì) (1)(1)確定參數(shù)：確定參數(shù)：最高工作外壓最高工作外壓 p p =0.3MPa =0.3MPa Di =1400mm； L筒筒1300 mm=1(可能處于外壓工作狀態(tài)可能處于外壓工作狀態(tài))C2=2 mm20R t =133MPa s=245 MPa（P183）C1=0.8 mmtw=10

10、052 10 MPaE (2)(2)按外壓確定壁厚：按外壓確定壁厚：1) 設(shè)n=12 mm，則e=n-C= 12-0.8-22=7.2 mm， Do=Di+2n=1400+212=1424 mm。2) L/Do=1417/1424 =1.0，Do/e=1424/7.2=197.8 查圖3.27，A=0.0005，查圖3.30，B =70MPa3) p=B/（Do/e）= 70/197.8 =0.35MPa4) p=0.35MPa p=0.3 MPa，滿足要求。13140=+0/=1300=1417 m3/4mihL L筒許多同學(xué)許多同學(xué)答錯(cuò)了答錯(cuò)了(3)夾套水壓試驗(yàn)校核：夾套水壓試驗(yàn)校核： P

11、T=max(1.250.3=0.375，p+0.1)= 0.4MPa(4)按內(nèi)壓設(shè)計(jì)校核：按內(nèi)壓設(shè)計(jì)校核：()0.22(14007.2)21.5 MPa227.21 133133 MPatcieetpD tt 滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。查圖3.27，A=0.0005,查圖3.30，B =70MPaP=B/（Do/e）= 70/197.8 =0.35MPa對(duì)夾套進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，釜體內(nèi)應(yīng)保持最小壓力為0.05MPa。（5 5）按內(nèi)壓水壓試驗(yàn)校核）按內(nèi)壓水壓試驗(yàn)校核 PT=1.25p / t =1.250.3133/133=0.375 MPa()0.375(14007.2)36.6 MPa

12、227.20.9245 1.0220.5 MPa TieTesTspDS S0.9 0.9 水壓試驗(yàn)校核是安全的。水壓試驗(yàn)校核是安全的。二二 夾套壁厚設(shè)計(jì)夾套壁厚設(shè)計(jì) (1)確定參數(shù)：確定參數(shù)：PcPc=0.33 MPa=0.33 MPa， D Di i=1500 mm=1500 mm；C C2 2=2 mm=2 mm=0.8 (單面焊，局部無(wú)損檢驗(yàn)）單面焊，局部無(wú)損檢驗(yàn)）材質(zhì)：材質(zhì)：20R t =133MPa s=245 MPa（P183）一半同學(xué)一半同學(xué)未進(jìn)行夾未進(jìn)行夾套設(shè)計(jì)。套設(shè)計(jì)。122.22.55mmnCC圓整圓整(2)(2)設(shè)計(jì)夾套厚度：設(shè)計(jì)夾套厚度：0.33 15002.2mm2

13、 2 0.85 133 0.33citcp Dp C1=0.5 mmC=C1+C2=2.5 mm。取夾套厚度為取夾套厚度為5mm。（3 3）標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭）標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭d2n10.33 15002.19 mm2 2 133 0.850.332.1924.19 mm4.0.50190.5mm55.citcdp DpCC 圓整圓整計(jì)算應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力()0.4125 (12002.5) 99.2 MPa 222.5TieTeP DSS應(yīng)力校核應(yīng)力校核0.9 0.9245 0.85187.4 MPas 0.9Ts 水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠（4）水壓試驗(yàn)校核）水壓試驗(yàn)校核有效壁厚有效壁厚e52.52.5 mmn

14、C 1331.251.25 0.330.4125 MPa133Ttpp試驗(yàn)壓力試驗(yàn)壓力法蘭設(shè)計(jì)、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)（法蘭設(shè)計(jì)、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)（熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程）（1 1）P88 3-13P88 3-13：法蘭設(shè)計(jì)：法蘭設(shè)計(jì)（類似于（類似于P78,3-5P78,3-5例題）例題）注意注意: : (1) (1) 法蘭的內(nèi)徑是容器的外徑；法蘭的內(nèi)徑是容器的外徑； (2) (2) 一些參數(shù)查取，一些參數(shù)查取，GB150GB150。 （2 2）P96 3-22P96 3-22：開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算：開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算（類似于（類似于P92,3-9P92,3-9例題）例題）注意注意: : 接管接管DN Di Do 若若DN 一

15、定，對(duì)應(yīng)一個(gè)最常用的壁厚值一定，對(duì)應(yīng)一個(gè)最常用的壁厚值 ， 得到一個(gè)外徑得到一個(gè)外徑Do，將其固定，將其固定，Di值是以壁厚不同而不同；值是以壁厚不同而不同；分析設(shè)計(jì)及應(yīng)力線性化分析設(shè)計(jì)及應(yīng)力線性化相比于常規(guī)設(shè)計(jì)，分析設(shè)計(jì)計(jì)算更為精確和詳細(xì)，但相比于常規(guī)設(shè)計(jì)，分析設(shè)計(jì)計(jì)算更為精確和詳細(xì)，但計(jì)算過(guò)程也更為復(fù)雜。計(jì)算過(guò)程也更為復(fù)雜。常規(guī)設(shè)計(jì)根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)根據(jù)GB150GB150及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算方法規(guī)范、及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算方法規(guī)范、成熟、方便，成熟、方便，那么分析設(shè)計(jì)應(yīng)力該如何計(jì)算？采用那么分析設(shè)計(jì)應(yīng)力該如何計(jì)算？采用哪種手段呢？哪種手段呢？1 1 問(wèn)題提出問(wèn)題提出2 2 主要計(jì)算方法主要計(jì)算方法（1

16、1）點(diǎn)處理法）點(diǎn)處理法（2 2）線處理法）線處理法（3 3）面處理法）面處理法將容器各計(jì)算部位，按各自一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)將容器各計(jì)算部位，按各自一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力值直接與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力分類的強(qiáng)度力值直接與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力分類的強(qiáng)度條件進(jìn)行比較判斷。條件進(jìn)行比較判斷。計(jì)算手段：計(jì)算手段：板殼理論板殼理論優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)缺點(diǎn)：簡(jiǎn)單但難反映整個(gè)區(qū)域簡(jiǎn)單但難反映整個(gè)區(qū)域?qū)⑷萜鞲饔?jì)算危險(xiǎn)部位應(yīng)力，按選擇的危險(xiǎn)截面把各應(yīng)力將容器各計(jì)算危險(xiǎn)部位應(yīng)力，按選擇的危險(xiǎn)截面把各應(yīng)力分量沿一條應(yīng)力處理線首先進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理，分量沿一條應(yīng)力處理線首先進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理，然后進(jìn)行應(yīng)力分類和評(píng)價(jià)。然后進(jìn)行應(yīng)力分類和評(píng)價(jià)。計(jì)算手

17、段：計(jì)算手段：有限元法有限元法對(duì)于復(fù)雜的非軸對(duì)稱三維結(jié)構(gòu)，則可將線處理法推廣為面對(duì)于復(fù)雜的非軸對(duì)稱三維結(jié)構(gòu)，則可將線處理法推廣為面處理法。處理法。計(jì)算手段：計(jì)算手段：有限元法有限元法A AB B3 3 線處理法應(yīng)力線性化線處理法應(yīng)力線性化均勻化處理后的平均應(yīng)力，其值屬于薄膜應(yīng)力（均勻化處理后的平均應(yīng)力，其值屬于薄膜應(yīng)力（membrane membrane stressstress）；當(dāng)量線性化處理的線性部分應(yīng)力屬?gòu)澢鷳?yīng)力）；當(dāng)量線性化處理的線性部分應(yīng)力屬?gòu)澢鷳?yīng)力（bending stressbending stress），剩余的非線性部分為峰值應(yīng)力（），剩余的非線性部分為峰值應(yīng)力（peak p

18、eak stressstress）。）。應(yīng)力線性化：應(yīng)力線性化：沿分析路徑通過(guò)積分處理找出沿路徑的均沿分析路徑通過(guò)積分處理找出沿路徑的均勻分布應(yīng)力成分、線性變化成分及非線性變化成分。勻分布應(yīng)力成分、線性變化成分及非線性變化成分。具體的線性化過(guò)程分兩步：具體的線性化過(guò)程分兩步：第一步是選擇一條應(yīng)力分類線。第一步是選擇一條應(yīng)力分類線。該線是連接所選結(jié)構(gòu)危該線是連接所選結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位兩個(gè)表面的最短線。對(duì)于遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，險(xiǎn)部位兩個(gè)表面的最短線。對(duì)于遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，該線垂直于兩個(gè)表面，其長(zhǎng)度等于殼體厚度。該線垂直于兩個(gè)表面，其長(zhǎng)度等于殼體厚度。第二步是將應(yīng)力沿這條線線性化處理。第二步是將應(yīng)力

19、沿這條線線性化處理。計(jì)算容器各部位計(jì)算容器各部位應(yīng)力，按選擇的危險(xiǎn)截面把各應(yīng)力分量沿該應(yīng)力分類線應(yīng)力，按選擇的危險(xiǎn)截面把各應(yīng)力分量沿該應(yīng)力分類線進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理，然后進(jìn)行應(yīng)力分類評(píng)定。進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理，然后進(jìn)行應(yīng)力分類評(píng)定。1 1）薄膜應(yīng)力：）薄膜應(yīng)力：是應(yīng)力沿壁厚是應(yīng)力沿壁厚 的平均值的平均值221ijijmdx2 2）彎曲應(yīng)力：）彎曲應(yīng)力：是沿壁厚線性分布的應(yīng)力成分：是沿壁厚線性分布的應(yīng)力成分：23212ijijbxxdx由于分析設(shè)計(jì)中只考慮殼體內(nèi)外壁的最大和最小彎曲應(yīng)力，由于分析設(shè)計(jì)中只考慮殼體內(nèi)外壁的最大和最小彎曲應(yīng)力，其值為其值為 : :22,26ijijb sx

20、 dx 3 3）線性化的應(yīng)力：）線性化的應(yīng)力：由薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力相加得到由薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力相加得到bijmijLij4 4）一點(diǎn)的應(yīng)力非線性部分：）一點(diǎn)的應(yīng)力非線性部分：是總應(yīng)力和線性化應(yīng)力的差是總應(yīng)力和線性化應(yīng)力的差 bijmijijLijijpij5 應(yīng)力評(píng)定（應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)限制）應(yīng)力評(píng)定（應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)限制）已知：已知：若某容器內(nèi)支撐相鄰的殼體中的應(yīng)力為，徑向應(yīng)力若某容器內(nèi)支撐相鄰的殼體中的應(yīng)力為，徑向應(yīng)力 r r=-=-37.2 MPa37.2 MPa；軸向應(yīng)力；軸向應(yīng)力 z z=70.5 MPa=70.5 MPa；環(huán)向應(yīng)力；環(huán)向應(yīng)力 =129.6MPa=129.6MPa；材料；材料S

21、A-516-70SA-516-70， 260 260許用應(yīng)力強(qiáng)度許用應(yīng)力強(qiáng)度S Smm=141.3 MPa=141.3 MPa。問(wèn)答：?jiǎn)柎穑?根據(jù)分析設(shè)計(jì)評(píng)定方法進(jìn)行殼體強(qiáng)度評(píng)定。根據(jù)分析設(shè)計(jì)評(píng)定方法進(jìn)行殼體強(qiáng)度評(píng)定。解：解： （1 1）應(yīng)力計(jì)算）應(yīng)力計(jì)算123129.6MPa70.5MPa37.2MPazr ，（2 2）應(yīng)力評(píng)定）應(yīng)力評(píng)定LP129.6( 37.2)166.8 MPa LP166.8 MPa1.51.5 141.3212 MPamS應(yīng)力評(píng)定合格例題二例題二: : 不等厚圓筒應(yīng)力分析不等厚圓筒應(yīng)力分析 P50P50PQMPQM幾何參量幾何參量問(wèn)題分析問(wèn)題分析（教材（教材P16）

22、00000000111222111222ppQMQMQMQMpp0020203221212pMQpREMDQD 徑向位移徑向位移00000112pMQMDQD經(jīng)向轉(zhuǎn)角經(jīng)向轉(zhuǎn)角參考參考化工容器設(shè)計(jì)化工容器設(shè)計(jì) 王志文主編王志文主編給定公式給定公式112268.39120.32()MPa ()MPa62.86118.6254.2796.97()MPa ()MPa50.7395.911212131.26MPa65.63M105.00Pa52.50MPMPaapppp1122()0.50.0211()1 0.08960.0063()0.50.0169()1 0.08150.0056kkkk 這類應(yīng)力計(jì)算非常復(fù)雜，也這類應(yīng)力計(jì)算非常復(fù)雜，也很難得到準(zhǔn)確的解析解，需很難得到準(zhǔn)確的解析解，