四大強(qiáng)度理論重點(diǎn)講義

1、四大強(qiáng)度理論1、最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）：這一理論認(rèn)為引起材料脆性斷裂破壞的因素是最大拉應(yīng)力，無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力1達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)力b，材料就要發(fā)生脆性斷裂。于是危險(xiǎn)點(diǎn)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂破壞的條件是：1=b。b/s=所以按第一強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件為：1。2、最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）：這一理論認(rèn)為最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變是引起斷裂的主要因素，無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變1達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值u，材料就要發(fā)生脆性斷裂破壞。u=b/E；1=b/E。由廣義虎克定律得：1=1-u(2+3)/E所以1-u(2+3)=b。按第二強(qiáng)度

2、理論建立的強(qiáng)度條件為：1-u(2+3)。3、最大切應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）：這一理論認(rèn)為最大切應(yīng)力是引起屈服的主要因素，無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大切應(yīng)力max達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限切應(yīng)力0，材料就要發(fā)生屈服破壞。max=0。依軸向拉伸斜截面上的應(yīng)力公式可知0=s/2（s橫截面上的正應(yīng)力）由公式得：max=1s=（1-3）/2。所以破壞條件改寫(xiě)為1-3=s。按第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：1-3。4、形狀改變比能理論（第四強(qiáng)度理論）：這一理論認(rèn)為形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素，無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞。發(fā)生塑性破壞的

3、條件為：所以按第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：sqrt(12+22+32-12-23-31)<壓力容器設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度(Stress intensity) ：某處的應(yīng)力若系三向或二向應(yīng)力時(shí),其組合應(yīng)力基于第三強(qiáng)度理論的當(dāng)量強(qiáng)度.規(guī)定為給定點(diǎn)處最大剪應(yīng)力的兩倍,即給定點(diǎn)處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的代數(shù)值(拉應(yīng)力為正值,壓應(yīng)力為負(fù)值)之差？容器的應(yīng)力分類(lèi) 一次應(yīng)力P(Primary stress) 一次應(yīng)力P也稱(chēng)基本應(yīng)力,是為平衡壓力和其他機(jī)械載荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力,可由與外載荷的平衡關(guān)系求得,由此一次應(yīng)力必然直接隨外載荷的增加而增加.對(duì)于理想塑性材料,載荷達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)即使載荷不再增加,仍會(huì)產(chǎn)生

4、不可限制的塑性流動(dòng),直至破壞.這就是一次應(yīng)力的"非自限性"特征.二次應(yīng)力Q (Secondary stress)二次應(yīng)力Q是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的法向應(yīng)力或切應(yīng)力,基本特征是具有自限性.筒體與端蓋的連接部位存在"相鄰部件"的約束,厚壁容器內(nèi)外壁存在溫差時(shí)就形成"自身約束".二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的,不是為平衡外載荷所必需的,而是在受載時(shí)在變形協(xié)調(diào)中產(chǎn)生的.當(dāng)約束部位發(fā)生局部的屈服和小量的塑性流動(dòng)使變形得到協(xié)調(diào),產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因(變形差)便得到滿(mǎn)足與緩和.亦即應(yīng)力和變形也受到結(jié)構(gòu)自身的抑制而不發(fā)展,這就是自限

5、性.峰值應(yīng)力F (Peak stress峰值應(yīng)力F是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量.峰值應(yīng)力最主要的特點(diǎn)是高度的局部性,因而不引起任何明顯的變形.其有害性?xún)H是可能引起疲勞裂紋或脆性斷裂.局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指幾何形狀或材料在很小區(qū)域內(nèi)的不連續(xù),只在很小范圍內(nèi)引起應(yīng)力和應(yīng)變?cè)龃?即應(yīng)力集中,但對(duì)結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布和變形沒(méi)有重大影響.壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí) 潘家禎華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院基本概念(下)第四章 外壓容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)(1) 了解外壓容器失穩(wěn)破壞特點(diǎn),掌握彈性失穩(wěn),非彈性失穩(wěn),臨界壓力,圓筒計(jì)算長(zhǎng)度,臨界長(zhǎng)度等概念及外壓容器穩(wěn)定性條件.(2) 掌

6、握典型受載條件下(側(cè)向均布外壓,側(cè)向與軸向同時(shí)受均布外壓,僅軸向受壓)圓筒臨界壓力(或應(yīng)力)計(jì)算公式及其用作設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)m的取值.(3) 理解外壓圓筒圖算法原理,正確選擇設(shè)計(jì)參數(shù),并熟練運(yùn)用圖算法對(duì)外壓圓筒和封頭進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì).(4) 掌握外壓圓筒加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算方法,了解加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)和制造要求.4.1 基本要求第四章 外壓容器設(shè)計(jì)(1) 外壓容器處于壓縮應(yīng)力狀態(tài),可能出現(xiàn)的兩種失效形式是壓縮屈服破壞和失穩(wěn)破壞(即殼體在壓應(yīng)力下的突然皺折變形),失穩(wěn)破壞是外壓薄壁容器的主要失效形式.容器失穩(wěn)時(shí)器壁中的壓應(yīng)力 低于材料比例極限 pt,則稱(chēng)為彈性失穩(wěn),反之為非彈性失穩(wěn),因容器用鋼 pt與 yt

7、相近,故可近似認(rèn)為 Lcr則約束件作用對(duì)筒體pcr無(wú)影響,稱(chēng)為長(zhǎng)圓筒,失穩(wěn)皺折波數(shù)n=2.如LLcr則約束件作用對(duì)筒體pcr有影響,稱(chēng)為短圓筒,失穩(wěn)皺折波數(shù)n>2.一圓筒上有多個(gè)剛性約束件(如封頭,法蘭,加強(qiáng)圈,夾套封閉件等)即為多段圓筒,其中凸形封頭所在圓筒段的計(jì)算長(zhǎng)度L應(yīng)包括封頭直邊段及1/3的封頭深度.4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)(4) 外壓容器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)目的是防止發(fā)生失穩(wěn)破壞,條件是設(shè)計(jì)外壓力p不得高于穩(wěn)定性計(jì)算確定的許用外壓p,即滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件pp=pcr/m;其中,設(shè)計(jì)外壓力p定義與內(nèi)壓時(shí)定義相同,具體取值方法可查表.許用外壓p由臨界壓力除以相應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)m確定;穩(wěn)定

8、性系數(shù)m是考慮公式準(zhǔn)確性和制造所能控制的容器形狀偏差等因素后所取的安全系數(shù).穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是計(jì)算pcr并確定相應(yīng)的m,即可計(jì)算作用外壓p.4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)(5) 圓筒臨界壓力pcr(或應(yīng)力 cr)計(jì)算( =0.3) 受側(cè)向均布外壓的圓筒:其pcr為可得圓筒臨界長(zhǎng)度為:失穩(wěn)皺折波數(shù)n可近似計(jì)算4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì) 側(cè)向和軸向同時(shí)受均布外壓時(shí),因軸向外壓對(duì)圓筒穩(wěn)定性影響不大,失穩(wěn)變形及臨界壓力與情況相近,故工程上仍按受側(cè)向均布外壓情況計(jì)算. 軸向受壓圓筒:因產(chǎn)生均勻軸向壓應(yīng)力的軸向

9、外載可有多種形式,故以軸向臨界應(yīng)力來(lái)表征臨界載荷.線(xiàn)彈性條件下的經(jīng)驗(yàn)式為: 非彈性失穩(wěn)圓筒臨界壓力或應(yīng)力可采用相應(yīng)彈性失穩(wěn)公式并以切線(xiàn)模量代替彈性模式量E作近似計(jì)算.(4-6)(6) 外壓圓筒設(shè)計(jì)(包括側(cè)向均布外壓或側(cè)向與軸向同時(shí)受均布外壓) 穩(wěn)定性系數(shù)m:目前制造技術(shù)水平下GB150規(guī)定外壓圓筒m=3,相應(yīng)要求圓筒直徑偏差e=Dmax-Dmin不得大于規(guī)定值. 解析法設(shè)計(jì):一般p,m,E,L,Di可一次性給定或計(jì)算,所以設(shè)計(jì)過(guò)程核心是根據(jù)假定的tn計(jì)算pcr(或p),直到滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件pp=pcr/m 式.但解析法選用公式時(shí)要先假設(shè)長(zhǎng)圓筒或短圓筒,彈性或非彈性失穩(wěn),并由結(jié)果對(duì)假設(shè)進(jìn)行校核,所

10、以應(yīng)用不方便,尤其不便于解非彈性問(wèn)題,因此工程設(shè)計(jì)一般用圖算法.4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)圖算法原理:因?yàn)橹芟蚺R界應(yīng)力所以將長(zhǎng),短圓筒Pcr統(tǒng)一寫(xiě)成長(zhǎng)圓筒短圓筒于是根據(jù)許用外壓可得(4-7)解析法求p核心是計(jì)算上式右邊項(xiàng),而圖算法則將該項(xiàng)計(jì)算分成兩步:第一步先計(jì)算應(yīng)變 cr,因 cr與E無(wú)關(guān),且僅需D0/te,L/D0兩個(gè)獨(dú)立變量,故將其作圖以便由從D0/te,L/D0直接查取 cr.該圖稱(chēng)為外壓圓筒幾何參數(shù)計(jì)算圖,圖中 cr用A表示,長(zhǎng)短圓筒,彈性或非彈性失穩(wěn)均適用.4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)第二步再由 cr計(jì)算2/3E cr,將應(yīng)力一

11、應(yīng)變曲線(xiàn)縱坐標(biāo)乘以2/3便可作出 cr計(jì)算2/3E cr之關(guān)系曲線(xiàn)圖,稱(chēng)為壁厚計(jì)算圖.4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)橫坐標(biāo):A= cr,縱坐標(biāo):2/3E cr=PD0/te用B表示,由A查B即得p.因塑性范圍使用了Et,故對(duì)非彈性失穩(wěn)亦適用. 圖算法設(shè)計(jì)步驟:確定p,T,L,Di,C及材料假定tn計(jì)算te,D0,D0/te,L/D0 由L/D0 , D0/te查幾何參數(shù)計(jì)算圖得A (根據(jù)材料及溫度T)由A查壁厚計(jì)算圖得B或?qū)椥允Х€(wěn)B=2/3AE 計(jì)算p=B/(D0/te) 校核pp是否滿(mǎn)足,若滿(mǎn)足且接近則tn合理,反之重設(shè)tn再次計(jì)算,直至滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件.4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容

12、器設(shè)計(jì)(7) D0/te10%,可能發(fā)生塑性失穩(wěn)或屈服,應(yīng)同時(shí)考慮穩(wěn)定性和強(qiáng)度校核.此時(shí)許用外壓p為:其中 ,B的計(jì)算與上相同,但當(dāng)D0/te60 按平板設(shè)計(jì);60 看成當(dāng)量圓筒,按外壓圓筒方法設(shè)計(jì).4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)(11) 外壓容器按內(nèi)壓容器進(jìn)行耐壓試驗(yàn),液壓試驗(yàn)壓力的確定見(jiàn)下表.4.2 內(nèi)容提要第四章 外壓容器設(shè)計(jì)第五章 高壓容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力5.2 高壓容器的設(shè)計(jì)本章主要研究厚壁圓筒在內(nèi)外壓力和溫差載荷作用下的應(yīng)力和變形等方面的概念和理論,及其計(jì)算方法.目的是解決高壓容器的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題.第五章 高壓容器設(shè)計(jì)(1) 理解厚壁圓筒應(yīng)力,變

13、形的特點(diǎn).(2) 了解拉美公式的推導(dǎo)過(guò)程,熟悉厚壁圓筒內(nèi)外壓力作用下應(yīng)力和位移的計(jì)算,掌握應(yīng)力的基本特征.(3) 掌握厚壁圓筒溫差應(yīng)力的分布規(guī)律,正確判斷在與壓力產(chǎn)生的彈性應(yīng)力組合時(shí)危險(xiǎn)點(diǎn)的位置.(4) 了解組合厚壁圓筒提高筒體承載能力的原理及應(yīng)力計(jì)算的方法.(5) 理解厚壁圓筒彈性應(yīng)力的概念及自增強(qiáng)計(jì)算的基本原理5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 基本要求第五章 高壓容器設(shè)計(jì)(1) 工程上通常將外徑與內(nèi)徑之比Do/Di>1.2的高壓圓筒形容器或管道等統(tǒng)稱(chēng)為"厚壁圓筒".在許多應(yīng)用場(chǎng)合,圓筒為等壁厚,并承受均勻的內(nèi)壓pi,外壓po和沿徑向分布不均的溫度變化T(從均勻基

14、準(zhǔn)溫度起計(jì)),且T通常僅為徑向坐標(biāo)r之函數(shù).在這樣條件下,圓筒的變形對(duì)稱(chēng)于圓筒軸.此外,在離開(kāi)圓筒與端蓋連接處足夠遠(yuǎn)時(shí),變形與軸向坐標(biāo)z亦無(wú)關(guān).由于只考慮軸對(duì)稱(chēng)載荷和軸對(duì)稱(chēng)約束,因此其位移,應(yīng)力,應(yīng)變均僅為r之函數(shù)(軸對(duì)稱(chēng)).5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)(2)厚壁圓筒與薄壁圓筒的根本差別在于必須考慮徑向應(yīng)力 r,且這一應(yīng)力在其數(shù)量上足以與周向應(yīng)力 ,軸向應(yīng)力 z相較量;此外,厚壁圓筒沒(méi)有薄壁圓筒中關(guān)于 沿全壁厚是常數(shù)的基本假定,即厚壁圓筒中的應(yīng)力是三向的,其分布也非全均勻性,因此也是靜不定性的,要從幾何,物理和靜力等三方面進(jìn)行綜合分析.5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力

15、 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)(3)對(duì)于具有端蓋的厚壁圓筒(下稱(chēng)閉式圓筒),承受內(nèi)外壓作用時(shí)的三個(gè)主應(yīng)力分別為式中: .對(duì)于開(kāi)式圓筒,下表示出僅受內(nèi)壓或外壓作用時(shí)厚壁閉式圓筒內(nèi)外壁面處的應(yīng)力及開(kāi)式圓筒之徑向位移. (5-1)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)4 在穩(wěn)定溫度變化和軸對(duì)稱(chēng)條件下,單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力為:式中為材料的線(xiàn)膨脹系數(shù);t=ti-to;ti內(nèi)壁面溫度,to外壁面溫度,C.5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2

16、 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)筒體外壁面筒體內(nèi)壁面應(yīng)力表5-2 單層厚壁圓筒內(nèi)外壁面處的溫差應(yīng)力多層圓筒溫差應(yīng)力內(nèi)外壁面上的近似值為0t it=2.0t在內(nèi)壓內(nèi)加熱情況下,當(dāng)t1.1p或保溫良好,t極小或高溫作業(yè)已達(dá)到發(fā)生蠕變變形可不予考慮溫差應(yīng)力.(5) 當(dāng)內(nèi)壓與溫差同時(shí)存在時(shí),呈線(xiàn)彈性厚壁圓筒中的綜合應(yīng)力可由上述3,4的結(jié)果疊加,其內(nèi)外壁面處的綜合應(yīng)力如下表所示.5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)厚壁圓筒內(nèi)壓下的應(yīng)力分布單層厚壁圓筒的

17、溫差應(yīng)力分布5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)就周向應(yīng)力而言,當(dāng)內(nèi)壓內(nèi)加熱時(shí),最大應(yīng)力在外壁處,外加熱時(shí)最大應(yīng)力在內(nèi)壁處;當(dāng)外壓內(nèi)加熱時(shí),最大應(yīng)力在內(nèi)壁處,外加熱時(shí)最大應(yīng)力在外壁外.厚壁筒內(nèi)的綜合應(yīng)力(6) 厚壁圓筒可以靠在最大應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生與工作應(yīng)力符號(hào)相反的殘余應(yīng)力分布"預(yù)應(yīng)力法"來(lái)提高承載能力:一是由兩個(gè)或更多個(gè)開(kāi)口圓筒靠過(guò)盈配合而組成一個(gè)組合圓筒,因過(guò)盈量在圓筒的接觸表面之間產(chǎn)生裝配壓力,由這種壓力在圓筒上產(chǎn)生了殘余應(yīng)力;另一種是對(duì)單個(gè)圓筒在一開(kāi)始承受很高內(nèi)壓使圓筒發(fā)生非彈性變形,卸去高壓后在圓筒中留下了有利的殘余應(yīng)力分布"自增

18、強(qiáng)技術(shù)".前者應(yīng)力分析的關(guān)鍵在于確定適當(dāng)?shù)倪^(guò)盈量,以及過(guò)盈量與筒體之間套合壓力的關(guān)系;后者要合理確定自增強(qiáng)壓力以及殘余應(yīng)力的計(jì)算.5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力 5.1.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)第五章 高壓容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)5.1 厚壁圓筒的應(yīng)力5.2 高壓容器的設(shè)計(jì)(1) 理解高壓圓筒三種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基本觀(guān)點(diǎn)及相應(yīng)的最大承載能力.(2) 掌握單層和多層圓筒壁厚的工程設(shè)計(jì)方法.(3) 了解幾種高壓容器密封結(jié)構(gòu)的原理與特點(diǎn),學(xué)會(huì)對(duì)金屬平墊和雙錐墊的密封計(jì)算

19、和被聯(lián)接件的強(qiáng)度核算.5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.1 基本要求第五章 高壓容器設(shè)計(jì)(1) 高壓容器一般處在高壓高溫和化學(xué)性介質(zhì)條件下工作,作為工程設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題首先是形成強(qiáng)度必需的厚壁,其次是密封所需的結(jié)構(gòu),因此高壓容器的設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)型式的多樣性,制造要求的嚴(yán)格性,密封結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而有別于中低壓容器.(2) 高壓圓筒按其喪失功能的可能方式或形式建立了三種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,即彈性失效,塑性失效和爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,它們的基本概念及最大承載能力(計(jì)算壓力)的比較如表5-5所示.5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)(

20、3) 工程上,當(dāng)設(shè)計(jì)壓力小于35MPa或K1.2時(shí),高壓圓筒的計(jì)算壁厚仍按照彈性夫效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的中徑公式計(jì)算,即當(dāng)器壁在操作壓力和溫差同時(shí)作用下,應(yīng)作如下當(dāng)量組合應(yīng)力校核內(nèi)壓內(nèi)加熱筒體:內(nèi)壓外加熱筒體:5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)對(duì)于多層組合圓筒,在不計(jì)筒體預(yù)應(yīng)力下,除熱應(yīng)力計(jì)算以及材料t取法不同外,其余跟單層圓筒計(jì)算相同.(4) 高壓容器密封按其工作原理分為強(qiáng)制式密封與自緊式密封兩大類(lèi).強(qiáng)制密封完全依靠緊固件的預(yù)緊力壓緊密元件使之密封;自緊密封主要依靠工作內(nèi)壓壓緊密封元件實(shí)現(xiàn)工作密封.前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,連接件(如主螺栓)尺寸大,壓力溫度波動(dòng)時(shí)密封性差;后者結(jié)構(gòu)

21、較復(fù)雜,但密封可靠.表5-6比較了分別為其代表的金屬平墊和雙錐環(huán)墊密封的結(jié)構(gòu)牲及密封載荷的計(jì)算方法.5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)(5) 高壓容器的主要零部件包括筒體端部或端部法蘭,端蓋或底蓋,及連接件(如主螺栓)等.設(shè)計(jì)計(jì)算的任務(wù)是分析受載情況建立簡(jiǎn)化的力學(xué)模型,確定初步尺寸和危險(xiǎn)截面的應(yīng)力計(jì)算公式,進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核,反復(fù)對(duì)尺寸進(jìn)行修正,直到滿(mǎn)足強(qiáng)度要求為止.學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意力學(xué)模型如何從實(shí)際中抽象出來(lái),怎樣進(jìn)行簡(jiǎn)化與假定,以及由此建立的計(jì)算公式應(yīng)用時(shí)的條件限制,這也是對(duì)任何承壓部件解題的基本方法之

22、一.5.2 高壓容器的設(shè)計(jì) 5.2.2 內(nèi)容提要第五章 高壓容器設(shè)計(jì)壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí) 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 近代壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì)(1) 了解壓力容器的失效模式(2) 了解壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的發(fā)展(3) 了解壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范的主要進(jìn)展(4) 了解近代壓力設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.1 基本要求第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(1) 容器的韌性爆破過(guò)程一臺(tái)受壓容器,如果材料塑性韌性正常,設(shè)計(jì)正確,制造中未留下嚴(yán)重的缺陷,加壓直至爆破的全過(guò)程一般屬于韌性爆破過(guò)程.韌性爆

23、破的全過(guò)程可以用圖示容器液壓爆破曲線(xiàn)OABCD來(lái)說(shuō)明,加壓的幾個(gè)階段如下: 整體屈服壓力爆破壓力(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段)脆性爆破過(guò)程韌性爆破過(guò)程第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(1) 容器的韌性爆破過(guò)程 OA段:彈性變形階段 內(nèi)壓與容器變形量成正比,呈現(xiàn)出彈性行為.A點(diǎn)表示內(nèi)壁應(yīng)力開(kāi)始屈服,或表示容器的局部區(qū)域出現(xiàn)屈服,容器的整體彈性行為到此終止. 整體屈服壓力爆破壓力(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段)脆

24、性爆破過(guò)程韌性爆破過(guò)程第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(1) 容器的韌性爆破過(guò)程 AB段:屈服變形階段 容器從局部屈服到整體屈服的階段,以?xún)?nèi)壁屈服到外壁也進(jìn)入屈服的階段.B點(diǎn)表示容器已進(jìn)入整體屈服狀態(tài).如果容器的鋼材具有屈服平臺(tái),這階段包含塑性變形越過(guò)屈服平臺(tái)的階段,這是一個(gè)包含復(fù)雜過(guò)程的階段,不同的容器,不同的材料,這一階段的形狀與長(zhǎng)短不同. 整體屈服壓力爆破壓力(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段)脆性爆破過(guò)程韌性爆破過(guò)程第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.

25、2 內(nèi)容提要(1) 容器的韌性爆破過(guò)程 BC段:變形強(qiáng)化階段 材料發(fā)生塑性變形強(qiáng)化,容器承載能力提高.但體積膨脹使壁厚減薄,承載能力下降.兩者中強(qiáng)化影響大于減薄影響,強(qiáng)化提高承載能力的行為變成主要因素.強(qiáng)化的變化率逐漸降低,到C點(diǎn)時(shí)兩種影響相等,達(dá)到總體"塑性失穩(wěn)"狀態(tài),承載能力達(dá)到最大即將爆破. 整體屈服壓力爆破壓力(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段)脆性爆破過(guò)程韌性爆破過(guò)程第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(1) 容器的韌性爆破過(guò)程 CD段:爆破階段,減薄的影響大

26、于強(qiáng)化的影響,容器的承載能力隨著容器的大量膨脹而明顯下降,壁厚迅速減薄,直至D點(diǎn)而爆裂. 整體屈服壓力爆破壓力(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段)脆性爆破過(guò)程韌性爆破過(guò)程第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要整體屈服壓力爆破壓力(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強(qiáng)化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段)脆性爆破過(guò)程韌性爆破過(guò)程(2) 容器的脆性爆破過(guò)程容器的脆性爆破過(guò)程如圖中OA',(或OA")曲線(xiàn).這種爆破指容器在加壓過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生充分的塑性變

27、形鼓脹,甚至未達(dá)到屈服的時(shí)候就發(fā)生爆破.爆破時(shí)容器尚在彈性變形階段或少量屈服變形階段. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 容器的失效模式 過(guò)度變形 容器的總體或局部發(fā)生過(guò)度變形,包括過(guò)量的彈性變形,過(guò)量的塑性變形,塑性失穩(wěn)(增量垮坍),例如總體上大范圍鼓脹,或局部鼓脹,應(yīng)認(rèn)為容器已失效,不能保障使用安全.過(guò)度變形說(shuō)明容器在總體上或局部區(qū)域發(fā)生了塑性失效,處于十分危險(xiǎn)的狀態(tài).例如法蘭的設(shè)計(jì)稍薄,強(qiáng)度上尚可滿(mǎn)足要求,但由于剛度不足產(chǎn)生永久變形,導(dǎo)致介質(zhì)泄漏,這是由于塑性失效的過(guò)度變形而導(dǎo)致的失效. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展

28、 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 容器的失效模式 韌性爆破 容器發(fā)生了塑性大變形的破裂失效,相當(dāng)于圖中曲線(xiàn)BCD階段情況下的破裂,這屬于超載下的爆破,一種可能是超壓,另一種可能是本身大面積的壁厚較薄.這是一種經(jīng)過(guò)塑性大變形的塑性失效之后再發(fā)展為爆破的失效,亦稱(chēng)為"塑性失穩(wěn)"(Plastic collapse),爆破后易引起災(zāi)難性的后果. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 容器的失效模式 脆性爆破 這是一種沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分塑性大變形的容器破裂失效.材料的脆性和嚴(yán)重的超標(biāo)缺陷均會(huì)導(dǎo)致這種破裂,或者兩種原因兼有.脆性爆破時(shí)容器可能裂成碎片飛

29、出,也可能僅沿縱向裂開(kāi)一條縫;材料愈脆,特別是總體上愈脆則愈易形成碎片.如果僅是焊縫或熱影響較脆,則易裂開(kāi)一條縫.形成碎片的脆性爆破特別容易引起災(zāi)難性后果. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 容器的失效模式 疲勞失效 交變載荷容易使容器的應(yīng)力集中部位材料發(fā)生疲勞損傷,萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展導(dǎo)致疲勞失效.疲勞失效包括材料的疲勞損傷(形成宏觀(guān)裂紋)并疲勞擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂等情況.容器疲勞斷裂的最終失效方式一種是發(fā)生泄漏,稱(chēng)為"未爆先漏"(LBB, Leak Before Break),另一種是爆破,可稱(chēng)為"未漏先爆&quo

30、t;.爆裂的方式取決于結(jié)構(gòu)的厚度,材料的韌性,并與缺陷的大小有關(guān).疲勞裂紋的斷口上一般會(huì)留下肉眼可見(jiàn)的貝殼狀的疲勞條紋.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 容器的失效模式蠕變失效 容器長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行和受載,金屬材料隨時(shí)間不斷發(fā)生蠕變損傷,逐步出現(xiàn)明顯的鼓脹與減薄,破裂而成事故.即使載荷恒定和應(yīng)力低于屈服點(diǎn)也會(huì)發(fā)生蠕變失效,不同材料在高溫下的蠕變行為有所不同.材料高溫下的蠕變損傷是晶界的弱化和在應(yīng)力作用下的沿晶界的滑移,晶界上形成蠕變空洞.時(shí)間愈長(zhǎng)空洞則愈多愈大,宏觀(guān)上出現(xiàn)蠕變變形.當(dāng)空洞連成片并擴(kuò)展時(shí)即形成蠕變裂紋,最終發(fā)生蠕變斷裂的事故.材料經(jīng)

31、受蠕變損傷后在性能上表現(xiàn)出強(qiáng)度下降和韌性降低,即蠕變脆化.蠕變失效的宏觀(guān)表現(xiàn)是過(guò)度變形(蠕脹),最終是由蠕變裂紋擴(kuò)展而斷裂(爆破或泄漏). 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 容器的失效模式 腐蝕失效 這是與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)的失效形式.化工容器接觸的腐蝕性介質(zhì)十分復(fù)雜,腐蝕機(jī)理屬于兩大類(lèi):化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕.區(qū)別在于形成腐蝕化合物過(guò)程中是否在原子間有電荷的轉(zhuǎn)移.就腐蝕失效的形態(tài)可分為如下幾種典型情況: 全面腐蝕(亦稱(chēng)均勻腐蝕);局部腐蝕;集中腐蝕(即點(diǎn)腐蝕);晶間腐蝕;應(yīng)力腐蝕;縫隙腐蝕;氫腐蝕;選擇性腐蝕.腐蝕發(fā)展到總體強(qiáng)度不足(由全面腐蝕,晶間腐

32、蝕或氫腐蝕引起)或局部強(qiáng)度不足時(shí),可認(rèn)為已腐蝕失效.腐蝕發(fā)展輕者造成泄漏,局部塑性失穩(wěn)或總體塑性失穩(wěn),嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致爆破.由應(yīng)力腐蝕形成宏觀(guān)裂紋,擴(kuò)展后也會(huì)導(dǎo)致泄漏或低應(yīng)力脆斷.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 容器的失效模式 失穩(wěn)失效 容器在外壓(包括真空)的壓應(yīng)力作用下喪失穩(wěn)定性而發(fā)生的皺折變形稱(chēng)為失穩(wěn)失效.皺折可以是局部的也可以是總體的.高塔在過(guò)大的軸向壓力(風(fēng)載,地震載荷)作用下也會(huì)皺折而引起倒塌. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 容器的失效模式 泄漏失效 容器及管道可拆密封部位的密封系統(tǒng)中

33、每一個(gè)零部件的失效都會(huì)引起泄漏失效.例如法蘭的剛性不足導(dǎo)致法蘭的過(guò)度變形而影響對(duì)墊片的壓緊,緊固螺栓因設(shè)計(jì)不當(dāng)或銹蝕而過(guò)度伸長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致泄漏,墊片的密封比壓不足,墊片老化缺少反彈能力都會(huì)引起泄漏失效.系統(tǒng)中每一零部件均會(huì)導(dǎo)致泄漏失效,所以密封失效不是一個(gè)獨(dú)立的失效模式,而是綜合性的. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的交互失效模式 腐蝕疲勞 在交變載荷和腐蝕介質(zhì)交互作用下形成裂紋并擴(kuò)展的交互失效.由于腐蝕介質(zhì)的作用而引起抗疲勞性能的降低,在交變載荷作用下首先在表面有應(yīng)力集中的地方發(fā)生疲勞損傷,在連續(xù)的腐蝕環(huán)境作用下發(fā)展為裂紋,最終發(fā)生泄漏或斷

34、裂.對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感與不敏感的材料都可能發(fā)生腐蝕疲勞,交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)均加速了這一損傷過(guò)程的進(jìn)程,使容器壽命大為降低. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的交互失效模式蠕變疲勞這是指高溫容器既出現(xiàn)了蠕變變形又同時(shí)承受交變載荷作用而在應(yīng)力集中的局部區(qū)域出現(xiàn)過(guò)度膨脹以至形成裂紋直至破裂.蠕變導(dǎo)致過(guò)度變形,載荷的交變導(dǎo)致萌生疲勞裂紋和裂紋擴(kuò)展.因蠕變和疲勞交互作用失效的容器既有明顯宏觀(guān)變形的特點(diǎn)又有疲勞斷口光整的特點(diǎn). 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(4) 化工容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展 彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,塑性失

35、效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則逐步成熟運(yùn)用于容器的工程設(shè)計(jì).彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,反映設(shè)計(jì)理論的進(jìn)展與突破.腐蝕失效所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則比較復(fù)雜,它所涉及的不是一個(gè)獨(dú)立的準(zhǔn)則. 各種不同的腐蝕失效形態(tài)所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是多種多樣的,有些還沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(5) 分析設(shè)計(jì)規(guī)范大型高參數(shù)及高強(qiáng)材料的容器如何設(shè)計(jì)得更安全而又合理,一方面依靠詳細(xì)的應(yīng)力分析,另一方面更重要的是要正確估計(jì)各種應(yīng)力對(duì)容器失效的不同影響.將不同類(lèi)型的應(yīng)力分別按不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行限

36、制.對(duì)容器的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析,根據(jù)原因和性質(zhì)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi),按各類(lèi)應(yīng)力對(duì)容器失效的危害性的差異采用不同的準(zhǔn)則加以限制.即"以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)",簡(jiǎn)稱(chēng)"分析設(shè)計(jì)"(Design by Analysis). 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(5) 分析設(shè)計(jì)規(guī)范ASME規(guī)范第卷"壓力容器"分為兩冊(cè),第一冊(cè)(ASME1)為傳統(tǒng)的規(guī)則設(shè)計(jì)(Design by Rules)規(guī)范,第二冊(cè)(ASME2)即為"分析設(shè)計(jì)"規(guī)范 (Design by Analysis) .中國(guó)的容器

37、分析設(shè)計(jì)規(guī)范于1995年以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式正式公布,稱(chēng)為"JB 4732鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)".第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(6) 疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范在交變載荷作用下容器應(yīng)力集中區(qū)域特別容易發(fā)生疲勞失效,壓力容器的疲勞屬于高應(yīng)變(即在屈服點(diǎn)以上的)低周次的疲勞失效,亦稱(chēng)"低周疲勞".根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)研究和理論分析建立了安全應(yīng)力幅(Sa)與許用循環(huán)周次(N)的低周疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn),即SaN曲線(xiàn).成了壓力容器疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).由于疲勞設(shè)計(jì)必須以應(yīng)力分析和應(yīng)力分類(lèi)為基礎(chǔ),疲勞設(shè)計(jì)是壓力容器分析設(shè)計(jì)的重要組成部分.第六章 壓力容器

38、設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(7) 防脆斷設(shè)計(jì)規(guī)范 低應(yīng)力脆斷是壓力容器的主要失效形式之一,特別是由高強(qiáng)度材料制成的厚壁焊接容器中容易發(fā)生.容器設(shè)計(jì)中加入了"防脆斷設(shè)計(jì)"這一內(nèi)容.ASME規(guī)范第卷附錄A中引入了核容器在役檢驗(yàn)時(shí)如何用斷裂力學(xué)方法對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行安全評(píng)定的內(nèi)容.我國(guó)于1984年制定了CVDA壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)范.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(8) 高溫容器蠕變?cè)O(shè)計(jì)的發(fā)展 高溫容器常規(guī)的設(shè)計(jì)方法僅在許用應(yīng)力按高溫蠕變強(qiáng)度或持久強(qiáng)度選取,不足以體現(xiàn)高溫容器的壽命設(shè)計(jì)問(wèn)題.高溫蠕變失效問(wèn)題的深

39、入研究,將高溫下蠕變的變形速率及變形量作為高溫容器壽命設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,形成了近代高溫容器設(shè)計(jì)的新準(zhǔn)則.由于高溫問(wèn)題的復(fù)雜性,這一設(shè)計(jì)方法目前尚未進(jìn)入規(guī)范. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(9) 歐盟EN13445標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)世 歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織(CEN)制訂的EN 13445非直接火壓力容器標(biāo)準(zhǔn)已于2002年問(wèn)世,涵蓋了0.05MPa以上壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法,應(yīng)力分類(lèi)法,分析設(shè)計(jì)法與疲勞設(shè)計(jì)法,而且提出了許多設(shè)計(jì)的新概念及新設(shè)計(jì)方法.針對(duì)防止密封失效所提出的限定各種泄漏率的密封設(shè)計(jì)方法是非常有特色的.以致在世界壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面形成了美國(guó)ASME和歐盟

40、13445兩大體系的新格局.這些都非常值得重視和深入研究. 壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 近代壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì)第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.1 基本要求(1) 了解分析設(shè)計(jì)的基本概念(2) 掌握對(duì)壓力容器各部分應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)的方法.(3) 了解安定性原理.(4) 了解對(duì)壓力容器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的方法和步驟.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.2 內(nèi)容提要(1) 容器的載荷與應(yīng)力 由壓力載荷引起的應(yīng)力由內(nèi)外介質(zhì)均布?jí)毫d荷在回轉(zhuǎn)殼體中產(chǎn)生的應(yīng)力.可依靠外載荷與內(nèi)力的平衡關(guān)系求解.在薄壁

41、殼體中這種應(yīng)力即為沿壁厚均勻分布的薄膜應(yīng)力,并在容器的總體范圍內(nèi)存在.厚壁容器中的應(yīng)力是沿壁厚呈非線(xiàn)性分布狀態(tài),可以分解為均布分量和非均布分量.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.2 內(nèi)容提要(1) 容器的載荷與應(yīng)力 由機(jī)械載荷引起的應(yīng)力壓力以外的其他機(jī)械載荷(如重力,支座反力,管道的推力)產(chǎn)生的應(yīng)力.這種應(yīng)力雖求解復(fù)雜,但也是符合外載荷與內(nèi)力平衡關(guān)系的.這類(lèi)載荷引起的應(yīng)力往往僅存在于容器的局部,亦可稱(chēng)為局部應(yīng)力.風(fēng)載與地震載荷也是壓力載荷以外的其他機(jī)械載荷,也滿(mǎn)足載荷與內(nèi)力的平衡關(guān)系,但作用范圍不是局部的,而且與時(shí)間有關(guān),作為靜載荷處理時(shí)遍及容器整體,是非均布非軸

42、對(duì)稱(chēng)的載荷. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.2 內(nèi)容提要容器的載荷與應(yīng)力 (3) 由不連續(xù)效應(yīng)引起的不連續(xù)應(yīng)力以下三種情況均會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)應(yīng)力: 幾何不連續(xù)(如曲率半徑有突變); 載荷不連續(xù); 材質(zhì)不連續(xù). 例如夾套反應(yīng)釜的內(nèi)筒在與夾套相焊接的地方就同時(shí)存在幾何不連續(xù)與載荷不連續(xù)(實(shí)際上還有軸向溫度的不連續(xù)).結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力不是由壓力載荷直接引起的,而是由結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)引起的,在殼體上的分布范圍較大,可稱(chēng)為總體不連續(xù)應(yīng)力.其沿壁厚的分布有的是線(xiàn)性分布有的也呈均布的. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.2 內(nèi)容提要容器的載荷與應(yīng)力 (

43、4) 由溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力: 殼壁溫度沿經(jīng)向(軸向)或徑向(厚度方向)存在溫差,便引起熱膨脹差,通過(guò)變形的約束與協(xié)調(diào)便產(chǎn)生應(yīng)力,這就是溫差應(yīng)力或稱(chēng)熱應(yīng)力.引起熱應(yīng)力的"載荷"是溫差,溫差表明該類(lèi)載荷的強(qiáng)弱,故稱(chēng)為熱載荷,以區(qū)別于機(jī)械載荷.熱應(yīng)力在殼體上的分布取決于溫差在殼體上的作用范圍,有的屬于總體范圍,有的是局部范圍.溫差應(yīng)力沿壁厚方向的分布可能是線(xiàn)性的或非線(xiàn)性的,有些則可能是均布的. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.2 壓力容器的分析設(shè)計(jì) 6.2.2 內(nèi)容提要容器的載荷與應(yīng)力 (5) 由應(yīng)力集中引起的集中應(yīng)力: 容器上的開(kāi)孔邊緣,接管根部,小圓角過(guò)渡處因應(yīng)力集中而形成的集

44、中應(yīng)力,其峰值可能比基本應(yīng)力高出數(shù)倍.數(shù)值雖大,但分布范圍很小.應(yīng)力集中問(wèn)題的求解一般不涉及殼體中性面的總體不連續(xù)問(wèn)題,主要是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)問(wèn)題,并依靠彈性力學(xué)方法求解.實(shí)際很難求得理論的彈性解,常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定或采用數(shù)值解求得.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 (1) 薄膜應(yīng)力(Membrane stress) :是沿截面厚度均勻分布的應(yīng)力成分,其等于沿所考慮截面厚度的應(yīng)力平均值. (2) 彎曲應(yīng)力(Bending stress) :是法向應(yīng)力沿截面厚度上的變化分量.沿厚度的變化可以是線(xiàn)性的,也可以不是線(xiàn)性的.最大值發(fā)生在容器的

45、表面處,設(shè)計(jì)時(shí)取最大值.分析設(shè)計(jì)的彎曲應(yīng)力是指線(xiàn)性的.(3) 法向應(yīng)力(Normal stress) :垂直于所考慮截面的應(yīng)力分量,也稱(chēng)正應(yīng)力.通常法向應(yīng)力沿部件厚度的分布是不均勻的,可將法向應(yīng)力視為由兩種成分組成,一是均勻分布的成分,該截面厚度應(yīng)力的平均值(即為薄膜應(yīng)力);另一是沿截面厚度各點(diǎn)而變化的成分,可能是線(xiàn)性的,也可能是非線(xiàn)性的. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 (4) 切應(yīng)力(Shear stress) :是與所考慮截面相切的應(yīng)力成分 . (5) 應(yīng)力強(qiáng)度(Stress intensity) :某處的應(yīng)力若系三向或二

46、向應(yīng)力時(shí),其組合應(yīng)力基于第三強(qiáng)度理論的當(dāng)量強(qiáng)度.規(guī)定為給定點(diǎn)處最大剪應(yīng)力的兩倍,即給定點(diǎn)處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的代數(shù)值(拉應(yīng)力為正值,壓應(yīng)力為負(fù)值)之差.(6) 總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)(Gross structural discontinuity ) :指幾何形狀或材料不連續(xù),使結(jié)構(gòu)在較大范圍內(nèi)的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化,對(duì)結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布與變形產(chǎn)生顯著影響.總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的實(shí)例如:封頭,法蘭,接管,支座等與殼體的連接處,不等直徑或不等壁厚,或彈性模量不等的殼體的連接處. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 (7) 局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)(Local

47、structural discontinuity ) :指幾何形狀和材料的不連續(xù),僅使結(jié)構(gòu)在很小范圍內(nèi)的應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生變化,對(duì)結(jié)構(gòu)總的應(yīng)力分布和變形無(wú)顯著影響.例如小的過(guò)渡圓角處,殼體與小附件連接處,以及未全熔透的焊縫處. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 各種應(yīng)力對(duì)容器失效的影響內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力使容器在總體范圍內(nèi)發(fā)生彈性失效或塑性失效,即膜應(yīng)力可使筒體屈服變形,以致爆破.外壓引起總體剛性失穩(wěn),即形狀失穩(wěn).其他機(jī)械載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力使容器發(fā)生局部范圍彈性失效或塑性失效.總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力,由于相鄰部位存在相互約束,可能使部分材料屈服

48、進(jìn)入彈塑性狀態(tài),可造成彈塑性失效.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(2) 分析設(shè)計(jì)法概述 各種應(yīng)力對(duì)容器失效的影響總體熱應(yīng)力也會(huì)造成容器的彈塑性失效.應(yīng)力集中(局部結(jié)構(gòu)不連續(xù))及局部熱應(yīng)力使局部材料屈服,雖然可以造成彈塑性失效,但只涉及范圍極小的局部,不會(huì)造成容器過(guò)度變形.在交變載荷作用下,這種應(yīng)力再疊加上壓力載荷的應(yīng)力及不連續(xù)應(yīng)力會(huì)使容器出現(xiàn)疲勞裂紋,主要危害是導(dǎo)致疲勞失效. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi)的基本原則是: 應(yīng)力產(chǎn)生的原因,是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過(guò)

49、程中產(chǎn)生的;應(yīng)力的分布,是總體范圍還是局部范圍的,沿壁厚的分布是均勻的還是線(xiàn)性的或非線(xiàn)性的;對(duì)失效的影響,即是否會(huì)造成結(jié)構(gòu)過(guò)度的變形,及是否導(dǎo)致疲勞,韌性失效. 應(yīng)力分類(lèi)法將容器中的應(yīng)力分為三大類(lèi):一次應(yīng)力;二次應(yīng)力;峰值應(yīng)力.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 一次應(yīng)力P(Primary stress) 一次應(yīng)力P也稱(chēng)基本應(yīng)力,是為平衡壓力和其他機(jī)械載荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力,可由與外載荷的平衡關(guān)系求得,由此一次應(yīng)力必然直接隨外載荷的增加而增加.對(duì)于理想塑性材料,載荷達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)即使載荷不再增加,仍會(huì)產(chǎn)生不可限制的塑性流動(dòng),直

50、至破壞.這就是一次應(yīng)力的"非自限性"特征. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 一次應(yīng)力P(Primary stress) 一次總體薄膜應(yīng)力Pm(General primary membrane stress) 這是指在容器總體范圍內(nèi)存在的一次薄膜應(yīng)力,在達(dá)到極限狀態(tài)的塑性流動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生重新分布.沿壁厚(截面)均勻分布的法向應(yīng)力即指薄膜應(yīng)力,或者指沿壁厚截面法向應(yīng)力的平均值.一次總體薄膜應(yīng)力的實(shí)例有:圓筒形殼體及任何回轉(zhuǎn)殼體的封頭在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的由壓力引起的薄膜應(yīng)力,厚壁圓筒由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力以及周向

51、應(yīng)力沿壁厚的平均值. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 一次應(yīng)力P(Primary stress) 一次彎曲應(yīng)力Pm(Primary bending stress) 由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷作用產(chǎn)生的沿壁厚成線(xiàn)性分布的法向應(yīng)力.如:平板封頭遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)的中央部位在壓力作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力.一次彎曲應(yīng)力與一次總體薄膜應(yīng)力的不同之處在于沿壁厚的分布是線(xiàn)性的而不是均布的.對(duì)受彎的板,當(dāng)兩個(gè)表面的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí),內(nèi)部材料仍處于彈性狀態(tài),可以繼續(xù)承載,此時(shí)應(yīng)力沿壁厚的分布將重新調(diào)整.因此這種應(yīng)力不像總體薄膜應(yīng)力那樣容易使殼體失效,允許有

52、較高的許用應(yīng)力.對(duì)一次彎曲應(yīng)力可以用極限分析方法作強(qiáng)度校核. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 一次應(yīng)力P(Primary stress) 一次局部薄膜應(yīng)力PL (General local membrane stress) 由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力(一次的)和結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力(二次的)的統(tǒng)稱(chēng),從保守考慮將此種應(yīng)力劃為一次局部薄膜應(yīng)力.圓筒中壓力產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力遠(yuǎn)離不連續(xù)區(qū)的地方稱(chēng)一次總體薄膜應(yīng)力(Pm),在不連續(xù)區(qū)稱(chēng)為一次局部薄膜應(yīng)力(PL).總體不連續(xù)效應(yīng)在殼體的邊緣區(qū)域產(chǎn)生的周向薄膜應(yīng)力,雖

53、然具有二次應(yīng)力的性質(zhì),但從方便和穩(wěn)妥考慮仍保守地視為一次性質(zhì)應(yīng)力.永久性支座或接管給予殼體的局部力與力矩而產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力也是一次局部薄膜應(yīng)力. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 一次應(yīng)力P(Primary stress) 一次局部薄膜應(yīng)力PL (General local membrane stress) "局部"與"總體"是按經(jīng)線(xiàn)方向的作用區(qū)域來(lái)劃分的,應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)1.1 的區(qū)域沿經(jīng)線(xiàn)方向的延伸距離小于1.0Rt,或者兩個(gè)超過(guò)1.1 的一次局部薄膜應(yīng)力區(qū)在經(jīng)線(xiàn)方向的距離不小于2.5Rt,都

54、是局部的,否則劃為總體的.此處R為殼體的第二曲率半徑,t為壁厚;若為兩個(gè)相鄰殼體,則R=0.5(R1+R2),t=0.5(t1+t2).當(dāng)結(jié)構(gòu)局部發(fā)生塑性流動(dòng)時(shí),這類(lèi)應(yīng)力將重新分布.若不加限制,則當(dāng)載荷從結(jié)構(gòu)的某一部分(高應(yīng)力區(qū))傳遞到另一部分(低應(yīng)力區(qū))時(shí),會(huì)引起過(guò)度的塑性變形而失效. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 二次應(yīng)力Q (Secondary stress)二次應(yīng)力Q是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的法向應(yīng)力或切應(yīng)力,基本特征是具有自限性.筒體與端蓋的連接部位存在"相鄰部件"的約束,厚壁容

55、器內(nèi)外壁存在溫差時(shí)就形成"自身約束".二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的,不是為平衡外載荷所必需的,而是在受載時(shí)在變形協(xié)調(diào)中產(chǎn)生的.當(dāng)約束部位發(fā)生局部的屈服和小量的塑性流動(dòng)使變形得到協(xié)調(diào),產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因(變形差)便得到滿(mǎn)足與緩和.亦即應(yīng)力和變形也受到結(jié)構(gòu)自身的抑制而不發(fā)展,這就是自限性. 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 峰值應(yīng)力F (Peak stress峰值應(yīng)力F是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量.峰值應(yīng)力最主要的特點(diǎn)是高度的局部性,因而不引起任何明顯的變形.其有害性?xún)H

56、是可能引起疲勞裂紋或脆性斷裂.局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指幾何形狀或材料在很小區(qū)域內(nèi)的不連續(xù),只在很小范圍內(nèi)引起應(yīng)力和應(yīng)變?cè)龃?即應(yīng)力集中,但對(duì)結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布和變形沒(méi)有重大影響.第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) 峰值應(yīng)力F (Peak stress結(jié)構(gòu)上的小半徑過(guò)渡圓角,部分未焊透及咬邊,裂紋等缺陷處均有應(yīng)力集中,均存在附加在一次與二次應(yīng)力之上的峰值應(yīng)力.平板開(kāi)孔為例,均勻拉伸膜應(yīng)力為 ,應(yīng)力集中系數(shù)為Kt,則F= ×(Kt-1) 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi)第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6.1 壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)展 6.1.2 內(nèi)容提要(3) 容器的應(yīng)力分類(lèi) (1) 部位A 屬遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域,受內(nèi)壓及徑向溫差載荷.由內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力分兩種情況:當(dāng)筒體尚屬薄壁容器時(shí)其應(yīng)力為一次總體薄膜應(yīng)力(Pm);當(dāng)屬厚壁容器時(shí),內(nèi)外壁應(yīng)力的平均值為一次總體薄膜應(yīng)力(Pm),而沿壁厚的應(yīng)力梯度劃