(2.2)--第二章(2.5)过程设备设计.ppt

第二章第二章 压力容器应力分析压力容器应力分析第五节 壳体的稳定性分析CHAPTER CHAPTER STRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELSSTRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELS12过程设备设计过程设备设计2.5.1 概述概述2.5.2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析主要内容主要内容2.5.3 其他回转薄壳的临界压力其他回转薄壳的临界压力 2.5 2.5 壳体的稳定性分析壳体的稳定性分析壳体的稳定性分析壳体的稳定性分析3过程设备设计过程设备设计2.5.1 2.5.1 概述概述概述概述一、失稳现象一、失稳现象2、承受外压壳体失效形式：、承受外压壳体失效形式：强度强度不足而发生压缩屈服失效不足而发生压缩屈服失效刚度刚度不足而发生失稳破坏不足而发生失稳破坏（讨论重点）（讨论重点）1、外压容器举例、外压容器举例（1）真空操作容器、减压精馏塔的外壳）真空操作容器、减压精馏塔的外壳（2）用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体）用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体4过程设备设计过程设备设计3、失稳现象：、失稳现象：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的体的屈曲屈曲（buckling）或或失稳失稳（instability）。）。定义定义:实质实质:从一种平衡状态跃到另一种平衡状态从一种平衡状态跃到另一种平衡状态;应力从压应力变为弯应力。应力从压应力变为弯应力。现象现象:横断面由圆变为波浪形，见横断面由圆变为波浪形，见表表2-55过程设备设计过程设备设计4、失稳类型：、失稳类型：弹性失稳弹性失稳t与与D比很小的比很小的薄壁回转壳薄壁回转壳，失稳时，失稳时，器壁的压器壁的压缩应力通常缩应力通常低于低于材料的比例极限材料的比例极限，称为弹性失，称为弹性失稳。稳。弹塑性失稳弹塑性失稳（非弹性失稳）（非弹性失稳）当回转壳体厚度增大时，壳体中的压应力当回转壳体厚度增大时，壳体中的压应力超过超过材料屈服点材料屈服点才发生失稳，这种失稳称为弹塑性才发生失稳，这种失稳称为弹塑性失稳或非弹性失稳。失稳或非弹性失稳。6过程设备设计过程设备设计本节讨论：受本节讨论：受周向周向均匀外压均匀外压薄壁薄壁回转壳体的回转壳体的弹性失稳弹性失稳问题问题5、受外压形式：受外压形式：pb周向周向pa轴向轴向pc周周轴轴向向7过程设备设计过程设备设计二、临界压力二、临界压力1、临界压力、临界压力壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，用壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，用pcr表示。表示。2、失稳现象、失稳现象外载荷达到某一临界值，发生径向挠曲，并迅速增加，外载荷达到某一临界值，发生径向挠曲，并迅速增加，沿周向出现沿周向出现压扁或波纹压扁或波纹。见表见表2-58过程设备设计过程设备设计3、影响、影响pcr的因素：的因素：pcr与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件 之间距离之间距离L有关；有关；pcr随着壳体材料的弹性模量随着壳体材料的弹性模量E、泊松比泊松比的增大而增加；的增大而增加；非弹性失稳的非弹性失稳的pcr还与材料的屈服点有关。还与材料的屈服点有关。对于给定外直径对于给定外直径Do和厚度和厚度t9过程设备设计过程设备设计注意注意注意注意:外压容器失稳的根本原因是由于壳体刚度不足，外压容器失稳的根本原因是由于壳体刚度不足，并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀所致。并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀所致。即即椭圆度和材料不均匀对失稳的性质无影响，椭圆度和材料不均匀对失稳的性质无影响，只影响使只影响使pcr。10过程设备设计过程设备设计2.5.2 2.5.2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析失稳时圆柱壳体的应力仍失稳时圆柱壳体的应力仍 处于处于弹性范围弹性范围。目的目的求求 、理论理论理想圆柱壳小挠度理论理想圆柱壳小挠度理论线性平衡方程线性平衡方程和挠曲微分方程；和挠曲微分方程；假设假设圆柱壳厚度圆柱壳厚度t与直径与直径D相比相比 是小量，是小量，位移位移w与厚度与厚度t相相 比是小量比是小量(,)11过程设备设计过程设备设计工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定性安全系数工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定性安全系数 m，限定外压壳体安全运行的载荷。限定外压壳体安全运行的载荷。该理论的局限该理论的局限（1）壳体失稳的本质是几何非线性的问题）壳体失稳的本质是几何非线性的问题（2）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒，存在各种）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒，存在各种 初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能不均匀等初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能不均匀等（3）受载不可能完全对称）受载不可能完全对称小挠度线性分析会与实验结果不吻合。小挠度线性分析会与实验结果不吻合。12过程设备设计过程设备设计外压圆筒分成三类：外压圆筒分成三类：长圆筒长圆筒L/Do和和Do/t较大时，其中间部分将不受两端约束或较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，两个波纹，n=2。短圆筒短圆筒L/Do和和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，现两个以上波纹，n2。刚性圆筒刚性圆筒L/Do和和Do/t很小时，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体很小时，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。13过程设备设计过程设备设计一、受均布周向外压的长圆筒的临界压力一、受均布周向外压的长圆筒的临界压力二、受均布周向外压的短圆筒的临界压力二、受均布周向外压的短圆筒的临界压力三、临界长度三、临界长度四、周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳四、周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳五、形状缺陷对圆筒稳定性的影响五、形状缺陷对圆筒稳定性的影响六、非弹性失稳的工程计算六、非弹性失稳的工程计算14过程设备设计过程设备设计一、受均布周向外压的长圆筒的临界压力一、受均布周向外压的长圆筒的临界压力思路：通过推导圆环临界压力，变换周向抗弯刚度，即可倒出长圆筒的思路：通过推导圆环临界压力，变换周向抗弯刚度，即可倒出长圆筒的1、圆环的挠曲微分方程、圆环的挠曲微分方程b、圆环的力矩平衡方程圆环的力矩平衡方程:(2-86)式（模型见（模型见2-39）a、圆环的挠曲微分方程圆环的挠曲微分方程:(2-82)式c、圆环的挠曲微分方程、圆环的挠曲微分方程(2-87)式式1516 c.圆环的挠曲微分方程：圆环的挠曲微分方程：(2-87)式圆环失稳时的临界压力圆环失稳时的临界压力 ：2、仅受周向均布外压的长圆筒临界压力计算公式：、仅受周向均布外压的长圆筒临界压力计算公式：（2-90）圆筒抗弯刚度圆筒抗弯刚度 代替代替EJ，用用DO代替代替D，长圆筒临界压力：长圆筒临界压力：长圆筒临界应力：长圆筒临界应力：（2-92）（2-93）17注意：2-92，2-93均在 小于比例极限时适用18过程设备设计过程设备设计注意注意注意注意:见图见图2-41 AB D/t，薄壁圆筒，薄壁圆筒/弹性失稳弹性失稳/各类钢各类钢E接近接近 采用高强钢对提高圆筒的稳定性不显著采用高强钢对提高圆筒的稳定性不显著 BC D/t，厚壁圆筒厚壁圆筒/屈服失效屈服失效/提高提高 可提高承载能力可提高承载能力,采用高强钢经济。采用高强钢经济。图图2-4119二、受均布周向外压的短圆筒的临界压力二、受均布周向外压的短圆筒的临界压力（2-97）拉姆公式，仅适合弹性失稳拉姆公式，仅适合弹性失稳过程设备设计过程设备设计20过程设备设计过程设备设计比较：比较：a.Mises 式式P65(2-94):对长、短圆筒均适用。对长、短圆筒均适用。b.Pamm 式式(2-97):只适用于短圆筒只适用于短圆筒,且且弹性失稳弹性失稳c.Bresse 式式(2-92):只适用于长圆筒只适用于长圆筒,且且弹性失稳弹性失稳（2-97）（2-92）21三、临界长度三、临界长度Lcr区分长、短圆筒用特征长度区分长、短圆筒用特征长度LcrL Lcr 长圆筒长圆筒LLcr 短圆筒短圆筒L=Lcr（2-92）=（2-97）压力相等压力相等（2-98）过程设备设计过程设备设计22四、周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳四、周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳a、受均布轴向压缩载荷圆筒的临界应力受均布轴向压缩载荷圆筒的临界应力现象：现象：非对称失稳非对称失稳对称失稳对称失稳临界应力经验公式临界应力经验公式(Timoshenko)：修正系数修正系数C=0.25（2-101）过程设备设计过程设备设计23b、联合载荷作用下圆筒的失稳联合载荷作用下圆筒的失稳 一般先确定单一载荷作用下的失效应力，计算单一载一般先确定单一载荷作用下的失效应力，计算单一载荷引起的应力和相应的失效应力之比，再求出所有比值荷引起的应力和相应的失效应力之比，再求出所有比值之和。之和。若比值的和若比值的和1，则筒体不会失稳，则筒体不会失稳若比值的和若比值的和1，则筒体会失稳，则筒体会失稳过程设备设计过程设备设计24五、形状缺陷对圆筒稳定性的影响五、形状缺陷对圆筒稳定性的影响圆筒形状缺陷：圆筒形状缺陷：不圆不圆局部区域中的折皱、鼓胀、凹陷局部区域中的折皱、鼓胀、凹陷影响影响:内压下，有消除不圆度的趋势内压下，有消除不圆度的趋势外压下，在缺陷处产生附加的弯曲应力外压下，在缺陷处产生附加的弯曲应力圆筒中的压缩应力增加圆筒中的压缩应力增加临界压力降低临界压力降低实际失稳压力与理论计算结果不很好吻和的主要原因之一实际失稳压力与理论计算结果不很好吻和的主要原因之一对圆筒的初始不圆度严格限制对圆筒的初始不圆度严格限制过程设备设计过程设备设计25过程设备设计过程设备设计六、六、非弹性失稳的工程计算非弹性失稳的工程计算 近似利用材料近似利用材料 时的时的“压缩压缩应变应变”曲线上的切曲线上的切线线模量模量 代替长、短圆筒代替长、短圆筒 式中的弹性模量式中的弹性模量注意注意注意注意:弹性失稳弹性失稳 ,与材料强度无关与材料强度无关,与与E有关，但变化不有关，但变化不大大,各类钢各类钢E接近接近 采用高强钢对提高圆筒的稳定性不显著采用高强钢对提高圆筒的稳定性不显著 非弹性失稳非弹性失稳 ,与材料强度有关与材料强度有关,变化大变化大 采用高强钢经济采用高强钢经济,使使 。262.5.3 2.5.3 其他回转薄壳的的临界压力其他回转薄壳的的临界压力其他回转薄壳的的临界压力其他回转薄壳的的临界压力半球壳半球壳椭球壳椭球壳碟形壳碟形壳锥壳锥壳过程设备设计过程设备设计271.半球壳半球壳经典公式：经典公式：（2-102）（2-103）过程设备设计过程设备设计282.椭球壳和碟形壳临界压力椭球壳和碟形壳临界压力碟形壳：碟形壳：同球壳计算，但同球壳计算，但R用碟形壳中央部分的外半径用碟形壳中央部分的外半径RO代替代替椭球壳：椭球壳：同碟形壳计算，同碟形壳计算，RO=K1DOK1见第四见第四 章章(表表4-5)过程设备设计过程设备设计293.锥壳锥壳（2-106）注意：注意：Le锥壳的当量长度；见锥壳的当量长度；见P70表表2-6DL锥壳大端外直径锥壳大端外直径DS锥壳小端外直径锥壳小端外直径Te锥壳当量厚度锥壳当量厚度或锥壳上两刚性元件所或锥壳上两刚性元件所在处的大小直径在处的大小直径适用于：适用于：若若 按平板计算，平板直径取锥壳最大直径按平板计算，平板直径取锥壳最大直径过程设备设计过程设备设计30过程设备设计过程设备设计注意注意注意注意:除受外压作用外，只要壳体除受外压作用外，只要壳体在较大区域内存在压缩薄膜在较大区域内存在压缩薄膜 应力，也有可能产生失稳。应力，也有可能产生失稳。例如：塔受风载时，迎风侧产生拉应力，而背风侧产生例如：塔受风载时，迎风侧产生拉应力，而背风侧产生 压缩应力，当压缩应力达到临界值时，塔就丧失压缩应力，当压缩应力达到临界值时，塔就丧失 稳定性。稳定性。受内压的标准椭圆形封头，在赤道处受内压的标准椭圆形封头，在赤道处 为压应力为压应力,可能失稳。可能失稳。即：不仅受外压的壳体可能失稳，受内压的壳体也可能即：不仅受外压的壳体可能失稳，受内压的壳体也可能 失稳。失稳。313233