化工设备及技术概述课件.ppt

第三单元第三单元 压力容器设计压力容器设计AAxzyrRROK1K2平行圆经线OOjB12学习内容学习内容载荷分析载荷分析回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析边缘应力分析边缘应力分析学习重点学习重点薄膜理论及其应用薄膜理论及其应用 对容器的基本感性认识对容器的基本感性认识学习难点学习难点模块一模块一 压力容器应力分析压力容器应力分析化工设备及技术化工设备及技术 第第2版版l书名：化工设备及技书名：化工设备及技术术 第第2版版l书号：书号：978-7-111-57048-6l作者：王磊作者：王磊l出版社：机械工业出出版社：机械工业出版社版社载荷分析载荷分析流体流经泵或压缩机流体流经泵或压缩机液体膨胀或气化液体膨胀或气化液体的饱和蒸气压液体的饱和蒸气压液体静压力液体静压力（1）压力载荷（2）非压力载荷重力载荷重力载荷地震载荷地震载荷运输载荷运输载荷波动载荷波动载荷风载荷风载荷管系载荷管系载荷（3）交变载荷正常操作工况正常操作工况特殊载荷工况特殊载荷工况意外载荷工况意外载荷工况压力试验压力试验载荷工况载荷工况开停工及检修开停工及检修任务任务1 1 回转薄壳的薄膜应力分析回转薄壳的薄膜应力分析薄壁容器薄壁容器容器的厚度与其最大截面圆的容器的厚度与其最大截面圆的内径之内径之比小于比小于0.10.1的容器称为薄壁容器。的容器称为薄壁容器。（超出这一范围的称为厚壁容器）（超出这一范围的称为厚壁容器）典型回转薄壳的应力分析典型回转薄壳的应力分析薄膜应力理论薄膜应力理论应力分析是强度设计中首先要解决的问题应力分析是强度设计中首先要解决的问题一、回转薄壳的无力矩理论一、回转薄壳的无力矩理论轴对称问题轴对称问题几何形状几何形状所受外力所受外力约束条件约束条件均对称于回转轴均对称于回转轴化工用压力容器通常都化工用压力容器通常都属于轴对称问题属于轴对称问题本章研究的是满足轴对称条件的薄壁壳体本章研究的是满足轴对称条件的薄壁壳体1 1、回转薄壳的形成及几何特性、回转薄壳的形成及几何特性圆柱壳回转壳球壳圆锥壳（1）回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度）回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度（2）母线、经线、法线、纬线、平行圆）母线、经线、法线、纬线、平行圆（3）第一曲率半径第一曲率半径R1、第一曲率半径、第一曲率半径R2、平行圆半径平行圆半径r（4）经向坐标、周向坐标）经向坐标、周向坐标1 1、回转薄壳的形成及几何特性、回转薄壳的形成及几何特性回转壳体中的基本的几何概念回转壳体中的基本的几何概念回转壳体中的基本的几何概念回转壳体中的基本的几何概念回转壳体回转壳体由回转曲面作中间面形成的壳体。由回转曲面作中间面形成的壳体。回转曲面回转曲面由平面直线或平面曲线绕其同平面内由平面直线或平面曲线绕其同平面内的回转轴回转一周所形成的曲面。的回转轴回转一周所形成的曲面。中中间面间面平分壳体厚度的曲面称为壳体的中间平分壳体厚度的曲面称为壳体的中间面。中间面与壳体内外表面等距离，面。中间面与壳体内外表面等距离，它代表了壳体的几何特性。它代表了壳体的几何特性。回转壳体中的基本的几何概念回转壳体中的基本的几何概念母线母线形成回转壳体中间面的形成回转壳体中间面的那条直线或平面曲线。那条直线或平面曲线。如图所示的回转壳体即如图所示的回转壳体即由平面曲线由平面曲线ABAB绕绕OAOA轴旋轴旋转一周形成，平面曲线转一周形成，平面曲线ABAB为该回转体的母线。为该回转体的母线。注意：母线形状不同或注意：母线形状不同或与回转轴的相对位置不与回转轴的相对位置不同时，所形成的回转壳同时，所形成的回转壳体形状不同。体形状不同。图图2-3 回转壳体的几何特性回转壳体的几何特性经线经线通过回转轴的平面与中间通过回转轴的平面与中间面的交线，如面的交线，如ABAB、ABAB。经线与母线形状完全相同经线与母线形状完全相同法线法线过中间面上的点过中间面上的点M M且垂直且垂直于中间面的直线于中间面的直线n n称为中称为中间面在该点的法线。间面在该点的法线。（法线的延长线必与回转（法线的延长线必与回转轴相交）轴相交）纬线纬线以法线以法线NK为母线绕回转为母线绕回转轴轴OA回转一周所形成的回转一周所形成的园锥法截面与中间面的园锥法截面与中间面的交线交线CND圆圆K平行圆：垂直于回转轴平行圆：垂直于回转轴的平面与中间面的交线的平面与中间面的交线称平行圆。显然，平行称平行圆。显然，平行圆即纬线。圆即纬线。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R2中间面上任一点中间面上任一点M M 处经线的曲率处经线的曲率半径为该点的半径为该点的“第一曲率半径第一曲率半径”通过经线上一点通过经线上一点M 的法线作垂直于经线的平面与中的法线作垂直于经线的平面与中间面相割形成的曲线间面相割形成的曲线MEF，此曲线在，此曲线在M 点处的曲率点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径半径称为该点的第二曲率半径R2，第二曲率半径的，第二曲率半径的中心落在回转轴上，其长度等于法线段中心落在回转轴上，其长度等于法线段MK2。回转薄壳几何要素回转薄壳几何要素二、薄壁圆筒的应力特点二、薄壁圆筒的应力特点变形变形变形变形：“环向纤维环向纤维”和和“纵向纵向纤维纤维”受到拉伸。受到拉伸。内力内力内力内力：只有拉应力忽略弯曲应：只有拉应力忽略弯曲应力，处于二向应力状态。力，处于二向应力状态。因壁厚因壁厚 很小，认为很小，认为 拉应力拉应力 沿壁厚均匀分布的，称为薄沿壁厚均匀分布的，称为薄膜应力。膜应力。s s（或（或s s轴、轴、s s经经）沿圆筒母线）沿圆筒母线方向方向(即轴向即轴向)拉应力，拉应力，s s（或（或s s环、环、s s周周）沿圆周方向）沿圆周方向的拉应力。的拉应力。图图3-2 薄壁圆筒在内压作用下的应力薄壁圆筒在内压作用下的应力 B点受力分析：点受力分析：内压内压P作用于作用于B点，产生三向应力：点，产生三向应力：轴向：经向应力或轴向应力轴向：经向应力或轴向应力；圆周的切线方向：周向应力或环向应力圆周的切线方向：周向应力或环向应力；壁厚方向：径向应力壁厚方向：径向应力r；当当、r时，作二向应力状态分析。时，作二向应力状态分析。因而薄壳圆筒因而薄壳圆筒B点受力简化成二向应力点受力简化成二向应力和和。圆筒的应力计算圆筒的应力计算 1.1.轴向应力轴向应力D D-筒体平均直径，亦筒体平均直径，亦称中径，称中径，mmmm；截面法截面法分析，如右图分析，如右图：图图图图 2-5 2-5 薄壁圆筒在压力作用下的力平衡薄壁圆筒在压力作用下的力平衡薄壁圆筒在压力作用下的力平衡薄壁圆筒在压力作用下的力平衡 2.2.环向应力环向应力图3-4 环向应力计算 讨论讨论1：薄壁圆筒上开椭圆孔的有利形状：薄壁圆筒上开椭圆孔的有利形状 环向应力是经向应力环向应力是经向应力的的2 2倍，所以环向承受应倍，所以环向承受应力更大，纵向截面上就要力更大，纵向截面上就要少削弱面积，故开设椭圆少削弱面积，故开设椭圆孔时，椭圆孔之短轴平行孔时，椭圆孔之短轴平行于筒体轴线，见图于筒体轴线，见图图图2-6 薄壁圆筒上开椭圆孔薄壁圆筒上开椭圆孔讨论讨论2：介质与压力一定，壁厚越大，是否应力就越小：介质与压力一定，壁厚越大，是否应力就越小分析：分析：问题：钢板卷制圆筒形问题：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？缝哪个易裂？筒体纵向焊缝受力大于筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。裂，施焊时应予以注意。三、无力矩理论的基本方程及应用三、无力矩理论的基本方程及应用基本假设基本假设l（1）小位移假设小位移假设。壳体受压变形，壳体受压变形，各点位移都小于壁厚。简化计算。各点位移都小于壁厚。简化计算。l（2）直法线假设直法线假设。沿厚度各点法向沿厚度各点法向位移均相同，即厚度不变。位移均相同，即厚度不变。l（3）不挤压假设不挤压假设。沿壁厚各层纤维沿壁厚各层纤维互不挤压，即法向应力为零。互不挤压，即法向应力为零。假定材料具有连续性、均匀性和假定材料具有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的各向同性，即壳体是完全弹性的内力内力无力矩理论无力矩理论（薄膜理论）（薄膜理论）有力矩理论有力矩理论（弯曲理论）（弯曲理论）无力矩理论和有力矩理论无力矩理论和有力矩理论载荷载荷轴对称轴对称薄膜理论与有力矩理论概念：薄膜理论与有力矩理论概念：计算壳壁应力有如下理论：计算壳壁应力有如下理论：（1 1）无矩理论，即）无矩理论，即薄膜理论薄膜理论。假定壳壁如同薄膜一样，只承假定壳壁如同薄膜一样，只承受拉应力和压应力，完全不能承受受拉应力和压应力，完全不能承受弯矩和弯曲应力。壳壁内的应力即弯矩和弯曲应力。壳壁内的应力即为为薄膜应力薄膜应力。（2 2）有力矩理论有力矩理论。壳壁内存在除拉应力或。壳壁内存在除拉应力或压应力外，压应力外，还存在弯曲应力还存在弯曲应力。在工程实际中，理想的薄壁壳体是不在工程实际中，理想的薄壁壳体是不存在的，因为即使壳壁很薄，壳体中还存在的，因为即使壳壁很薄，壳体中还会或多或少地存在一些弯曲应力，所以会或多或少地存在一些弯曲应力，所以无力矩理论有其近似性和局限性无力矩理论有其近似性和局限性。由于。由于弯曲应力一般很小，如略去不计，其误弯曲应力一般很小，如略去不计，其误差仍在工程计算的允许范围内，而计算差仍在工程计算的允许范围内，而计算方法大大简化，所以方法大大简化，所以工程计算中常采用工程计算中常采用无力矩理论无力矩理论。无力矩状态只是壳体可能的应力状态之一无力矩状态只是壳体可能的应力状态之一无力矩状态下，薄壳中的应力沿壁厚无力矩状态下，薄壳中的应力沿壁厚均匀分布，可使材料强度得到合理利用，均匀分布，可使材料强度得到合理利用，是最理想的应力状态。是最理想的应力状态。无力矩理论可使壳体的应力分析大为简化，无力矩理论可使壳体的应力分析大为简化，薄壳的应力分析以无力矩理论为基础。薄壳的应力分析以无力矩理论为基础。几点提示几点提示p微体平衡方程的推导微体平衡方程的推导OO经向力经向力 和和 +d +d 在法线上的分量在法线上的分量 周向力周向力 在法线上的分量在法线上的分量 微体平衡方程（拉普拉斯微体平衡方程（拉普拉斯Laplace方程）方程）区域平衡方程的推导区域平衡方程的推导区域平衡方程区域平衡方程 微体平衡方程（拉普拉斯微体平衡方程（拉普拉斯Laplace方程）方程）区域平衡方程式区域平衡方程式 1、无力矩理论两个基本方程、无力矩理论两个基本方程承受气体内压的回转薄壳承受气体内压的回转薄壳 2、无力矩理论的应用、无力矩理论的应用 典型壳体的薄膜应力典型壳体的薄膜应力圆柱壳圆柱壳第一曲率半径第一曲率半径R R1 1=，第二曲率半径第二曲率半径R R2 2=rm=R=DR=D/2/2 代入基本方程代入基本方程:得：得：即：即：圆柱壳壁内应力分布圆柱壳应力分布结论圆柱壳应力分布结论1、=2 圆柱壳的纵向截面是薄弱截面。圆柱壳的纵向截面是薄弱截面。2、圆柱壳的承压能力取决于（、圆柱壳的承压能力取决于（t/D），），并非厚度越大承压能力越好。并非厚度越大承压能力越好。实例实例球壳球壳11、人生的某些障碍，你是逃不掉的。与其费尽周折绕过去，不如勇敢地攀登，或许这会铸就你人生的高点。12、有些压力总是得自己扛过去，说出来就成了充满负能量的抱怨。寻求安慰也无济于事，还徒增了别人的烦恼。13、认识到我们的所见所闻都是假象，认识到此生都是虚幻，我们才能真正认识到佛法的真相。钱多了会压死你，你承受得了吗?带，带不走，放，放不下。时时刻刻发悲心，饶益众生为他人。14、梦想总是跑在我的前面。努力追寻它们，为了那一瞬间的同步，这就是动人的生命奇迹。15、懒惰不会让你一下子跌倒，但会在不知不觉中减少你的收获;勤奋也不会让你一夜成功，但会在不知不觉中积累你的成果。人生需要挑战，更需要坚持和勤奋!16、人生在世：可以缺钱，但不能缺德;可以失言，但不能失信;可以倒下，但不能跪下;可以求名，但不能盗名;可以低落，但不能堕落;可以放松，但不能放纵;可以虚荣，但不能虚伪;可以平凡，但不能平庸;可以浪漫，但不能浪荡;可以生气，但不能生事。17、人生没有笔直路，当你感到迷茫、失落时，找几部这种充满正能量的电影，坐下来静静欣赏，去发现生命中真正重要的东西。18、在人生的舞台上，当有人愿意在台下陪你度过无数个没有未来的夜时，你就更想展现精彩绝伦的自己。但愿每个被努力支撑的灵魂能吸引更多的人同行。19、积极的人在每一次忧患中都看到一个机会，而消极的人则在每个机会中看到了某种忧患。莫找借口失败，只找理由成功。20、每一个成就和长进，都蕴含着曾经受过的寂寞、洒过的汗水、流过的眼泪。许多时候不是看到希望才去坚持，而是坚持了才能看到希望。1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。2、身材不好就去锻炼，没钱就努力去赚。别把窘境迁怒于别人，唯一可以抱怨的，只是不够努力的自己。3、大概是没有了当初那种毫无顾虑的勇气，才变成现在所谓成熟稳重的样子。4、世界上只有想不通的人，没有走不通的路。将帅的坚强意志，就像城市主要街道汇集点上的方尖碑一样，在军事艺术中占有十分突出的地位。5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。11、失败不可怕，可怕的是从来没有努力过，还怡然自得地安慰自己，连一点点的懊悔都被麻木所掩盖下去。不能怕，没什么比自己背叛自己更可怕。12、跌倒了，一定要爬起来。不爬起来，别人会看不起你，你自己也会失去机会。在人前微笑，在人后落泪，可这是每个人都要学会的成长。13、要相信，这个世界上永远能够依靠的只有你自己。所以，管别人怎么看，坚持自己的坚持，直到坚持不下去为止。14、也许你想要的未来在别人眼里不值一提，也许你已经很努力了可还是有人不满意，也许你的理想离你的距离从来没有拉近过.但请你继续向前走，因为别人看不到你的努力，你却始终看得见自己。15、所有的辉煌和伟大，一定伴随着挫折和跌倒；所有的风光背后，一定都是一串串揉和着泪水和汗水的脚印。16、成功的反义词不是失败，而是从未行动。有一天你总会明白，遗憾比失败更让你难以面对。17、没有一件事情可以一下子把你打垮，也不会有一件事情可以让你一步登天，慢慢走，慢慢看，生命是一个慢慢累积的过程。18、努力也许不等于成功，可是那段追逐梦想的努力，会让你找到一个更好的自己，一个沉默努力充实安静的自己。19、你相信梦想，梦想才会相信你。有一种落差是，你配不上自己的野心，也辜负了所受的苦难。20、生活不会按你想要的方式进行，它会给你一段时间，让你孤独、迷茫又沉默忧郁。但如果靠这段时间跟自己独处，多看一本书，去做可以做的事，放下过去的人，等你度过低潮，那些独处的时光必定能照亮你的路，也是这些不堪陪你成熟。所以，现在没那么糟，看似生活对你的亏欠，其实都是祝愿。