外壓容器設(shè)計(jì)（課堂PPT）

1、1化化 工工 容容 器器 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)第四章 外壓容器設(shè)計(jì)潘家禎華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院2第四章 外壓容器設(shè)計(jì) 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算 第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算 第四節(jié) 外壓封頭和法蘭設(shè)計(jì) 3第一節(jié) 概述一、外壓容器的失效形式 外壓容器的失效形式有兩種：v發(fā)生壓縮屈服破壞;v當(dāng)外壓達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，殼體的徑向撓度隨壓縮應(yīng)力的增加急劇增大，直至容器壓扁，這種現(xiàn)象稱為外壓容器的失穩(wěn)或屈曲。 4第一節(jié) 概述二、臨界壓力l外壓容器發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的相應(yīng)壓力稱為臨界壓力 。l薄壁圓筒受側(cè)向均布外力作用，一旦達(dá)到臨界壓力時(shí)，沿周向?qū)⑿纬蓭讉€(gè)波。 外壓圓筒的失穩(wěn)形態(tài)5第一節(jié) 概述 臨

2、界壓力 臨界壓力除與圓筒材料的E、有關(guān)外，主要和圓筒長(zhǎng)度與直徑之比值、壁厚與直徑的比值有關(guān)。 早期對(duì)外壓圓筒的分析是按照理想圓柱殼線性小撓度理論進(jìn)行的，但失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)表明該分析結(jié)果不正確，根本原因殼體失穩(wěn)本質(zhì)上是幾何非線性問(wèn)題，所以失穩(wěn)分析應(yīng)按非線性大撓度來(lái)考慮。6第一節(jié) 概述 臨界壓力表述與許用設(shè)計(jì)外壓的確定 p Pcr/m P許用設(shè)計(jì)外壓，MPa Pcr臨界壓力，MPa m穩(wěn)定系數(shù)， 我國(guó)鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)取m=37第一節(jié) 概述 外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù) 1、設(shè)計(jì)壓力和液壓試驗(yàn)壓力l設(shè)計(jì)壓力P設(shè)： 正常工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓差l 真空容器：有安全裝置，取（1.25Pmax，0.1MPa）中的

3、較小值；無(wú)有安全裝置，取0.1MPal 夾套容器：內(nèi)部真空，真空容器設(shè)計(jì)壓力夾套設(shè)計(jì)壓力 考慮容器可能出現(xiàn)的最大壓差的危險(xiǎn)工況。如 內(nèi)筒泄漏、夾套液壓試驗(yàn)等工況8第一節(jié) 概述 1、設(shè)計(jì)壓力和液壓試驗(yàn)壓力試驗(yàn)壓力PT：l不帶夾套的外壓容器，按內(nèi)壓試驗(yàn)；l帶夾套外壓容器，夾套試驗(yàn)壓力按外壓容器，但必須校核內(nèi)筒的穩(wěn)定性；l真空容器以內(nèi)壓作壓力試驗(yàn)； MPaPMPaPPtT，1 . 025. 1max9外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù) 2、外壓筒體計(jì)算長(zhǎng)度L：指筒體上兩個(gè)剛性構(gòu)件如封頭、法蘭、加強(qiáng)圈之間的最大距離。l對(duì)于凸形端蓋：L圓筒長(zhǎng)封頭直邊段 端蓋深度l對(duì)于法蘭：L兩法蘭面之間的距離l對(duì)于加強(qiáng)圈：L加強(qiáng)圈中心

4、線之間的距離第一節(jié) 概述 3110外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù) 3、外壓容器的設(shè)計(jì)計(jì)算 “ 設(shè)計(jì)規(guī)定”穩(wěn)定性系數(shù)m3，此時(shí)要求圓筒的不圓度 e 0.5%Dg，且e 25mm.第一節(jié) 概述 mPPPcr11第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算 一、受均布側(cè)向外壓的長(zhǎng)圓筒的臨界壓力 二、受均布側(cè)向外壓短圓筒的臨界壓力 三、軸向受壓圓筒的臨界應(yīng)力12第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算一、受均布側(cè)向外壓的長(zhǎng)圓筒的臨界壓力 基本概念：長(zhǎng)圓筒與短圓筒 l當(dāng)圓筒的長(zhǎng)度與直徑之比較大時(shí)，其中間部分將不受兩端封頭或加強(qiáng)圈的支持作用，彈性失穩(wěn)時(shí)形成n=2的波數(shù)，這種圓筒稱為長(zhǎng)圓筒，長(zhǎng)圓筒的臨界壓力與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，僅與圓筒厚度與直徑的

5、比值有關(guān)。 長(zhǎng)圓筒臨界壓力：l當(dāng)圓筒的長(zhǎng)度與直徑之比較小，失穩(wěn)波數(shù)大于2時(shí)，稱為短圓筒。302 . 2DtEPcr短圓筒臨界壓力：oocrDLDtEP5 . 2/59. 2Do為圓筒外徑13(一) 圓環(huán)的臨界載荷l當(dāng)圓筒的長(zhǎng)度與直徑之比較大時(shí)，其中間部分將不受兩端封頭或加強(qiáng)圈的支持作用，彈性失穩(wěn)時(shí)橫截面形成n2的波數(shù)，這種圓筒稱為長(zhǎng)圓筒。 l長(zhǎng)圓筒的臨界壓力與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，僅與圓筒壁厚與直徑的比值有關(guān) 第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算一、受均布側(cè)向外壓的長(zhǎng)圓筒的臨界壓力l當(dāng)圓筒的相對(duì)長(zhǎng)度較小，兩端的約束作用不能忽視，臨界壓力不僅和壁厚與直徑之比有關(guān)，而且和長(zhǎng)度與直徑之比有關(guān)，失穩(wěn)的波數(shù)n大于2，稱

6、為短圓筒。 14第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算一、受均布側(cè)向外壓的長(zhǎng)圓筒的臨界壓力(一) 圓環(huán)的臨界載荷圓環(huán)臨界載荷的表達(dá)式： 圓環(huán)的慣性矩圓筒的抗彎剛度鋼質(zhì)圓筒， =0.3高度為1的圓環(huán)15(一)未加強(qiáng)圓筒的臨界壓力第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力Mises在1914年按線性小撓度理論導(dǎo)出短圓筒的臨界壓力公式：16(一)未加強(qiáng)圓筒的臨界壓力第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力17(二)臨界長(zhǎng)度第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力圖4-618(二)帶加強(qiáng)圈的圓筒第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算

7、二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力 在既定直徑與材料下，提高外壓容器的臨界壓力，可增加筒體厚度或減小計(jì)算長(zhǎng)度，從減輕容器重量、節(jié)約貴重金屬出發(fā)，減小計(jì)算長(zhǎng)度更有利。在結(jié)構(gòu)上即是在圓筒的內(nèi)部或外部相隔一定的距離焊接用型鋼做的加強(qiáng)圈，如圖所示。因?yàn)橛?jì)算假設(shè)圓筒與加強(qiáng)圈同時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，所以它們達(dá)到失穩(wěn)的必要條件是加強(qiáng)圈必須有足夠的剛度或截面慣性矩。 每一加強(qiáng)圈可考慮承受圈兩側(cè)Ls/2距離內(nèi)的外載荷。殼體和加強(qiáng)圈一起承受每單位周長(zhǎng)的臨界載荷等于pcrLs，得： 19(二)帶加強(qiáng)圈的圓筒第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力對(duì)于能起加強(qiáng)作用的有效圓筒器壁與加強(qiáng)圈的組合慣性矩

8、可考慮等效于一單層較厚圓筒，其厚度稱為等效厚度te，大小為： 得： 這是帶加強(qiáng)圈圓筒保持穩(wěn)定所必需的最小加強(qiáng)圈與有效殼體組合截面的慣性矩，它是下一節(jié)設(shè)計(jì)帶加強(qiáng)圈外壓圓筒的基本公式之一。 20(三)軸向受壓圓筒的臨界壓力第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力 對(duì)于受軸向壓縮的有限長(zhǎng)的薄壁圓筒，不論其是軸對(duì)稱失穩(wěn)還是非軸對(duì)稱失穩(wěn)，按線性小撓度理論得到的臨界應(yīng)力的結(jié)果是一樣的，即： 由于線性臨界載荷值實(shí)際遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)值。必須考慮非線性分析。用非線性前屈曲理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，得到下式的臨界壓力的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式： 21(四)非彈性失穩(wěn)的工程計(jì)算第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、

9、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力 上述分析均假設(shè)薄壁圓筒的失穩(wěn)在彈性范圍內(nèi)，即器壁中的壓縮應(yīng)力不大于材料的比例極限。當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)比例極限，圓筒屬于非彈性失穩(wěn)范疇。若按彈塑性失穩(wěn)進(jìn)行理論分析將十分復(fù)雜，工程上通常采用近似的處理方法，即利用材料超過(guò)比例極限的壓縮應(yīng)變曲線上的切線模量Et(圖49)，代替以上彈性假設(shè)下確定臨界壓力的公式中彈性模量E，按此計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近。如對(duì)于長(zhǎng)圓筒，則有： 22第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力歸納：計(jì)算法的步驟：l判斷是屬于長(zhǎng)圓筒還是短圓筒l大于該值用長(zhǎng)圓筒公式計(jì)算l小于該值用短圓筒公式計(jì)算23第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)

10、算一、圖算法的原理 由外壓圓筒的失穩(wěn)分析可知，計(jì)算圓筒的臨界壓力首先要確定圓筒包括壁厚在內(nèi)的幾何尺寸，但在設(shè)計(jì)計(jì)算之前壁厚尚是未知量，所以需要一個(gè)反復(fù)試算的步驟。若用解析法進(jìn)行外壓容器的計(jì)算就比較繁復(fù)，國(guó)外有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范推薦采用比較簡(jiǎn)便的圖算方法，中國(guó)容器標(biāo)準(zhǔn)也借鑒此法。本節(jié)介紹外壓圓筒及帶加強(qiáng)圈圓筒的加強(qiáng)圈圖算法的原理和用法。 4-84-1524第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算一、圖算法的原理外壓圓筒按照?qǐng)A筒的長(zhǎng)度可以分為三種：l長(zhǎng)圓筒 臨界壓力除與材料的E、有關(guān)外，與圓筒長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，僅與壁厚t 和直徑 D0有關(guān)，即LL0時(shí)，臨界壓力由式(4-7)或式(4-8)給出。 l短圓筒 失穩(wěn)時(shí)波數(shù) n 2，波

11、數(shù)與 t/D 和 L/D 的比值有關(guān)，形成不同波數(shù)的臨界壓力也不同，它們的臨界壓力與t/D 和L/D 有關(guān)，即LLcr時(shí)，臨界壓力按式(415)計(jì)算。 l剛性圓筒 失效是由于器壁中的壓應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度而引起的塑性屈服破壞，因此不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，其性質(zhì)與厚壁圓筒相同，只需校核強(qiáng)度是否足夠，L的影響不計(jì)。 4-84-1525 假定材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線為理想彈塑性模型，則對(duì)不同的t/D0值可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪強(qiáng)度和失穩(wěn)失效曲線，如圖所示。它由三部分組成，代表三種圓筒的力學(xué)特征。曲線也可以用另一種方式標(biāo)繪：第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算一、圖算法的原理26第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算一、圖算法的原理設(shè)

12、27第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算一、圖算法的原理28第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算二、圖算法的計(jì)算步驟29第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算二、圖算法的計(jì)算步驟30第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算三、有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定(一)設(shè)計(jì)壓力和壓力試驗(yàn)壓力 設(shè)計(jì)壓力的定義與內(nèi)壓容器相同，但其取法不同。外壓容器的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)取在正常工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓力差；真空容器按外壓容器計(jì)算，l 當(dāng)裝有安全控制裝置時(shí)，取1.25倍最大內(nèi)外壓力差或0.1MPa兩者中的較小值；l 當(dāng)無(wú)安全裝置時(shí)，取0.1MPa。對(duì)于帶夾套的容器應(yīng)考慮可能出現(xiàn)最大壓差的危險(xiǎn)工況，例如當(dāng)內(nèi)筒容器突然泄壓而夾套內(nèi)仍有壓力時(shí)所產(chǎn)生的最大壓差。對(duì)于帶夾套的真

13、空容器，則按上述真空容器選取的設(shè)計(jì)外壓力加上夾套內(nèi)的設(shè)計(jì)內(nèi)壓力一起作為設(shè)計(jì)外壓。31第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算三、有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定(一)設(shè)計(jì)壓力和壓力試驗(yàn)壓力外壓容器的壓力試驗(yàn)分為兩種情況：l 不帶夾套的外壓容器和真空容器，以內(nèi)壓進(jìn)行壓力試驗(yàn)，所以試驗(yàn)壓力取法同前面內(nèi)壓容器所述； l 帶夾套外壓容器，則分別確定內(nèi)筒和夾套的試驗(yàn)壓力，除內(nèi)筒試驗(yàn)壓力按確定，因夾套一般受內(nèi)壓，故在按內(nèi)壓容器確定了夾套的試驗(yàn)壓力以后，必須按內(nèi)筒的有效厚度校核在該試驗(yàn)壓力下內(nèi)筒的穩(wěn)定性。若內(nèi)筒不能保證足夠的穩(wěn)定性，或增加內(nèi)筒厚度或在壓力試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)筒保持一定的壓力，以保證整個(gè)試壓過(guò)程中夾套和簡(jiǎn)體的壓差不超過(guò)確定的允許試驗(yàn)壓差。 32第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算四、加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算(一)加強(qiáng)圈尺寸 外壓圓筒上設(shè)置加強(qiáng)圈借以縮短計(jì)算長(zhǎng)度，達(dá)到減少壁厚的目的。為了保證殼體與加強(qiáng)圈的穩(wěn)定性，加強(qiáng)圈必須有合適的尺寸， 33第三節(jié) 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算四、加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算(一)加強(qiáng)圈尺寸 先假定加強(qiáng)圈的個(gè)數(shù)與間距Ls(LsLcr)，然后選擇加強(qiáng)圈尺寸，計(jì)算或由手冊(cè)查得As，確定有效殼體的作用寬度，計(jì)算加強(qiáng)圈與有效殼體實(shí)際的組合慣性矩Js。加強(qiáng)圈