第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计1.ppt
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1、第四章第四章 内压薄壁容器的内压薄壁容器的强度设计强度设计1强度设计的基本知识强度设计的基本知识2内压薄壁圆筒的强度计算内压薄壁圆筒的强度计算3内压圆筒封头的设计内压圆筒封头的设计概概述述概概述述1、强度设计的任务:、强度设计的任务:内内压压容容器器的的强强度度设设计计包包含含设设备备的的壁壁厚厚设设计计和和在在用用设设备备的的强强度度校核两方面。校核两方面。1 1)设设计计型型计计算算根根据据给给定定的的公公称称直直径径以以及及设设计计压压力力和和温温度,设计出合适的壁厚,以保证设备安全可靠。度,设计出合适的壁厚,以保证设备安全可靠。2 2)校核型计算)校核型计算根据已有的设备公称直径以及工
2、作压力根据已有的设备公称直径以及工作压力和温度,判断设备的使用安全性。和温度,判断设备的使用安全性。2、内压薄壁圆筒与封头的强度计算公式,以壳体无力、内压薄壁圆筒与封头的强度计算公式,以壳体无力矩理论为推导基础,其推导过程如下:矩理论为推导基础,其推导过程如下:根据薄膜理论进行应力分析,确定薄膜应力状态下根据薄膜理论进行应力分析,确定薄膜应力状态下的主应力;的主应力;根据弹性失效的设计准则,应用强度理论确定应力根据弹性失效的设计准则,应用强度理论确定应力的强度判据;的强度判据;对封头,考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响,对封头,考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响,按壳体中的应力状况在公式中
3、引进应力增强系数。按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数。根据应力强度判据,考虑腐蚀等实际因素导出具体根据应力强度判据,考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。的计算公式。第一节第一节 强度设计的基本知识强度设计的基本知识一、关于弹性失效的设计准则一、关于弹性失效的设计准则 设设计计压压力力容容器器时时,为为了了保保证证结结构构安安全全可可靠靠的的工工作作,必必须须留留有有一定的安全裕度,即强度安全条件:一定的安全裕度,即强度安全条件:二、强度理论及其相应的强度条件二、强度理论及其相应的强度条件借借助助于于强强度度理理论论,将将二二向向和和三三向向应应力力状状态态转转换换成成单单向向拉拉伸伸
4、应应力状态的相当应力,同时须解决两个问题:力状态的相当应力,同时须解决两个问题:根据应力状态确定主应力;根据应力状态确定主应力;确定材料的许用应力。确定材料的许用应力。对承受均匀内压的薄壁容器,其主应力为:对承受均匀内压的薄壁容器,其主应力为:1)第第一一强强度度理理论论(最最大大主主应应力力理理论论)及及相相应应的的强强度度条条件件 第第一一强强度度理理论论认认为为在在三三向向应应力力中中,若若最最大大应应力力小小于于许许用用应应力力,则安全。则安全。其强度条件为:其强度条件为:2)第第二二强强度度理理论论(最最大大线线应应变变理理论论)及及相相应应的的强强度度条条件件 第第二二强强度度理理
5、论论认认为为在在三三向向应应力力中中,若若最最大大线线应应变变小小于于许许用用应应变,则安全。变,则安全。其强度条件为:其强度条件为:3)第第三三强强度度理理论论(最最大大剪剪应应力力理理论论)及及相相应应的的强强度度条条件件 第第三三强强度度理理论论认认为为最最大大剪剪应应力力(1-31-3)是是引引起起材材料料屈屈服服破坏的主要因素。破坏的主要因素。其强度条件为:其强度条件为:3)第第四四强强度度理理论论(形形状状改改变变比比能能理理论论)及及相相应应的的强强度度条件条件 第第四四强强度度理理论论认认为为设设备备构构件件受受外外力力产产生生弹弹性性变变形形时时物物体体内内部部也也就就积积蓄
6、蓄了了能能量量,即即变变形形能能。单单位位变变形形体体体体积积内内所所积积蓄蓄的的变变形形能能称称为为变变形形比比能能。当当构构件件变变形形比比能能达达到到材材料料的的极极限限值值时时,会会引引起起屈屈服破坏。服破坏。其相应的强度条件:其相应的强度条件:适用性:适用性:第一强度理论适用于脆性材料;第一强度理论适用于脆性材料;第三、第四强度理论适用于塑性材料。第三、第四强度理论适用于塑性材料。第二节第二节 内压薄壁圆筒的强度计算内压薄壁圆筒的强度计算一、强度计算公式一、强度计算公式1)圆柱筒体)圆柱筒体 由薄膜应力理论可知,圆柱筒体上任一点处薄膜应力如下:由薄膜应力理论可知,圆柱筒体上任一点处薄
7、膜应力如下:1=pD中中/2S,2=m=pD中中/4S,3=0 由第三强度理论可得:由第三强度理论可得:1-3=pD中中/2S其安全条件为:其安全条件为:考虑到计算的方便准确性,对上式应作如下修正:考虑到计算的方便准确性,对上式应作如下修正:工工作作压压力力p工工作作p设设计计(由由于于实实际际操操作作中中工工作作压压力力的的波波动动,设设计计中中应应以以工工作作压压力力乘乘以以放放大大系系数数表表示示设设计计压压力力,并并以以设设计计压压力力作作为设计壁厚的计算压力)为设计壁厚的计算压力)t(考考虑虑到到材材料料的的许许用用应应力力随随温温度度的的升升高高而而降降低低,设设计计计计算算中中应
8、应以以材材料料在在工工作作中中所所能能达达到到的的最最高高温温度度下下的的许许用用应应力力为为准准)D中中Di+S(考考虑虑到到工工程程中中径径无无法法测测量量以以内内径径代代入入计计算算更更为为方方便便)引引入入焊焊缝缝系系数数(对对焊焊接接制制成成的的压压力力容容器器,考考虑虑到到焊焊缝缝处处强强度度与与整整板板强强度度的的差差异异,用用焊焊缝缝系系数数表表示示焊焊缝缝处处强强度度与与整整板板强强度度的的比值,应以焊缝处的实际强度为评判是否安全的标准。)比值,应以焊缝处的实际强度为评判是否安全的标准。)考虑到上述四个修正并算出考虑到上述四个修正并算出S S后,上述表达式演变为:后,上述表达
9、式演变为:此处此处S0S0为计算壁厚。为计算壁厚。设设计计中中,对对最最终终选选定定的的名名义义壁壁厚厚SnSn,应应在在计计算算壁壁厚厚的的基基础础上上再作如下补充:再作如下补充:壁厚附加量壁厚附加量C C 考虑腐蚀裕量考虑腐蚀裕量C2C2,得到圆筒的设计壁厚为:得到圆筒的设计壁厚为:同样,取第四强度理论的应力强度可得:同样,取第四强度理论的应力强度可得:所所以以对对已已有有设设备备进进行行强强度度校校验验和和确确定定最最大大允允许许工工作作压压力力的的计计算公式分别为:算公式分别为:采用无缝钢管作圆筒体时,其公称直径为钢管的外采用无缝钢管作圆筒体时,其公称直径为钢管的外径。将径。将D=D0
10、-S代入代入S=pD/2t中,并考虑焊缝中,并考虑焊缝,得到得到以外径为基准的公式:以外径为基准的公式:以以上上各各式式适适用用范范围围是是p0.4t,(即即外外径径与与内内径径之之比比K1.5)。)。对地球形容器由于其主应力为对地球形容器由于其主应力为 以以上上各各式式适适用用范范围围是是p0.6t,(即即外外径径与与内内径径之比之比K1.35)。)。二、设计参数的确定二、设计参数的确定1、设计压力、设计压力 设计压力是在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力,设计压力是在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力,其值不得小于最高工作压力(容器顶部在工作中可能产生的最高其值不得小于最高工作压力
11、(容器顶部在工作中可能产生的最高表压力)。表压力)。2、设计温度、设计温度设设计计温温度度是是指指容容器器在在操操作作过过程程中中在在相相应应的的设设计计压压力力下下容容器器壳壳壁壁或或受受压压元元件件沿沿截截面面厚厚度度可可能能达达到到的的最最高高或或最最低低的的(指指-20-20以以下)平均壁温。下)平均壁温。容器的设计温度指壳体的设计温度。容器的设计温度指壳体的设计温度。3、许用应力、许用应力许许用用应应力力是是以以材材料料强强度度的的极极限限应应力力0为为基基础础,并并合合理理选选择择安安全系数,即:全系数,即:(1)极限应力)极限应力0的取法的取法对常温容器对常温容器,实际中应采用的
12、许用压力为下列二式中较小值实际中应采用的许用压力为下列二式中较小值:对对中中温温容容器器,根根据据设设计计温温度度下下材材料料的的抗抗拉拉强强度度或或屈屈服服点点确确定定许许用压力用压力,取下列二式中较小值取下列二式中较小值:对高温容器对高温容器,考虑到材料的高温持久强度和蠕变强度的许用应考虑到材料的高温持久强度和蠕变强度的许用应力力,当碳钢和低合金钢、合金钢、奥氏体不锈钢的设计温度分别当碳钢和低合金钢、合金钢、奥氏体不锈钢的设计温度分别超过超过420420、450450、550550时,许用应力应取下列式中较小值:时,许用应力应取下列式中较小值:(2)安全系数的取法)安全系数的取法 如如何何
13、选选择择合合理理的的安安全全系系数数时时设设计计中中比比较较复复杂杂和和关关键键的的问问题题,因为它与下列因素有关:因为它与下列因素有关:计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精确程度。计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精确程度。材料的质量和制造的技术水平。材料的质量和制造的技术水平。容器的工作条件的重要性和危险性。容器的工作条件的重要性和危险性。4、焊缝系数、焊缝系数1 1)设计中考虑焊缝系数的原因:)设计中考虑焊缝系数的原因:焊接时可能出现缺陷而未被发现;焊接时可能出现缺陷而未被发现;焊接热影响区形成粗大晶粒导致强度和塑性降低;焊接热影响区形成粗大晶粒导致强度和塑性降低;结构刚性约束造成焊
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- 第四 章内压 薄壁 圆筒 强度 设计
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