化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)第一、二章

1、 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)張張 茂茂 潤潤安徽理工大學(xué)化工學(xué)院安徽理工大學(xué)化工學(xué)院 化工機(jī)械的概念化工機(jī)械的概念: : 為保證為保證化工生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行的所有設(shè)備與機(jī)器的總稱?；どa(chǎn)連續(xù)進(jìn)行的所有設(shè)備與機(jī)器的總稱。 設(shè)備的的概念設(shè)備的的概念: : 在化工產(chǎn)品在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)、傳生產(chǎn)過程中用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、分離、結(jié)晶和貯存物料等裝置。常用的熱、分離、結(jié)晶和貯存物料等裝置。常用的化工化工設(shè)備其結(jié)設(shè)備其結(jié)構(gòu)見圖構(gòu)見圖(a) 、 (b) 、 (c) 、 (d) 。 機(jī)器的概念機(jī)器的概念: : 在化工產(chǎn)品在化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中用于為各種流體提供動(dòng)力的裝生產(chǎn)過程中

2、用于為各種流體提供動(dòng)力的裝置置( (如各種泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等如各種泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等) )。 設(shè)備與機(jī)器的區(qū)別：設(shè)備與機(jī)器的區(qū)別： 研究對(duì)象：研究對(duì)象：化工化工設(shè)備的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)的基本程序和方法設(shè)備的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)的基本程序和方法 及設(shè)計(jì)結(jié)果的正確表達(dá)。及設(shè)計(jì)結(jié)果的正確表達(dá)。 (a)帶攪拌的反應(yīng)器帶攪拌的反應(yīng)器 (b)列管式換熱器列管式換熱器 （c）填料塔）填料塔 （d）貯）貯 罐罐 化工容器的概念：化工容器的概念： 所有化工設(shè)備外部殼體的總稱。是設(shè)計(jì)一切化工設(shè)所有化工設(shè)備外部殼體的總稱。是設(shè)計(jì)一切化工設(shè)備的基礎(chǔ)。備的基礎(chǔ)。 化工容器的結(jié)構(gòu)：化工容器的結(jié)構(gòu)： 筒體、封頭、附件（法蘭、支座、人

3、孔、手孔等）筒體、封頭、附件（法蘭、支座、人孔、手孔等）筒體筒體支座支座法蘭法蘭封頭封頭人孔人孔工藝接管工藝接管液面計(jì)液面計(jì) 化工容器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：化工容器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： 筒體、封頭的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；筒體、封頭的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；附件選型。附件選型。 化工容器的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一切化工設(shè)備的基礎(chǔ)?；と萜鞯脑O(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一切化工設(shè)備的基礎(chǔ)。 一、一、 化工容器的分類化工容器的分類 (1) 按幾何形狀分類按幾何形狀分類 矩形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)）矩形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)） 圓筒形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)，應(yīng)用最廣）圓筒形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)，應(yīng)用最廣） 球形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)）、錐形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)）

4、球形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)）、錐形容器（優(yōu)、缺點(diǎn)） (2) 按承壓性質(zhì)分類按承壓性質(zhì)分類 外壓容器的概念：外壓容器的概念： 內(nèi)壓容器：常壓容器、低壓容器內(nèi)壓容器：常壓容器、低壓容器(L)、中壓容器、中壓容器(M)、 、高壓容器、高壓容器(H)、超高壓容器、超高壓容器(U)。 (3)按材料分類按材料分類 金屬制容器、非金屬制容器。金屬制容器、非金屬制容器。 研究對(duì)象：研究對(duì)象：鋼制的、典型的、常見的中、低、常壓容器的鋼制的、典型的、常見的中、低、常壓容器的 設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)。 容器又分為容器又分為類、類、類、類、類。類。 二、零、部件設(shè)計(jì)的機(jī)械要求二、零、部件設(shè)計(jì)的機(jī)械要求 (1) 具有一定的具有一定的強(qiáng)度強(qiáng)

5、度 防止構(gòu)件在外力作用下被破壞。防止構(gòu)件在外力作用下被破壞。 (2) 具有足夠的具有足夠的剛度剛度 防止構(gòu)件在外力作用下發(fā)生過大變形。防止構(gòu)件在外力作用下發(fā)生過大變形。 (3) 具有充分的穩(wěn)定性具有充分的穩(wěn)定性 防止構(gòu)件在外力作用下失去自身幾何的形狀。防止構(gòu)件在外力作用下失去自身幾何的形狀。 (4)具有一定的具有一定的耐久性耐久性 構(gòu)件具有的使用壽命構(gòu)件具有的使用壽命10-12年。年。 (5)具有良好的密封性具有良好的密封性 防止構(gòu)件發(fā)生泄漏。防止構(gòu)件發(fā)生泄漏。 三、零、部件標(biāo)準(zhǔn)化的意義三、零、部件標(biāo)準(zhǔn)化的意義 (1) 有利于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品有利于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)、提高產(chǎn)

6、品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的價(jià)格等。的價(jià)格等。 (2) 有利于零、部件之間的互換，提高勞動(dòng)效率，降低勞有利于零、部件之間的互換，提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。動(dòng)強(qiáng)度。 (3)有利于世界各國之間的技術(shù)交流。有利于世界各國之間的技術(shù)交流。 四、零、部件標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)四、零、部件標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù) (1)公稱直徑公稱直徑DN卷制的圓筒公稱直徑卷制的圓筒公稱直徑 DN 系列系列 卷制的圓筒卷制的圓筒: DN = D i (內(nèi)徑內(nèi)徑 ) 管制的筒體管制的筒體: DN = Do (管子的外徑管子的外徑) 鋼管鋼管: DN 管子內(nèi)、外徑管子內(nèi)、外徑 (2)公稱壓力公稱壓力PN 將化工容器承受的壓力劃分為若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的壓

7、力等級(jí)，將化工容器承受的壓力劃分為若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的壓力等級(jí)，這一壓力等級(jí)稱為公稱壓力。這一壓力等級(jí)稱為公稱壓力。 公稱壓力公稱壓力P N (M Pa) 公稱壓力的確定：由化工容器的工作壓力向標(biāo)準(zhǔn)的壓力等公稱壓力的確定：由化工容器的工作壓力向標(biāo)準(zhǔn)的壓力等 級(jí)取值。級(jí)取值。要求：掌握上述基本參數(shù)，并會(huì)確定其值。要求：掌握上述基本參數(shù)，并會(huì)確定其值。0.250.61.01.62.54.06.4101625 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例： 需要設(shè)計(jì)一臺(tái)體積為需要設(shè)計(jì)一臺(tái)體積為20 的液氨貯罐，若液氨的工的液氨貯罐，若液氨的工作壓力為作壓力為1.6 ; ; 罐體的長徑比為罐體的長徑比為 ， 試確定試確定貯罐的貯罐的

8、。 解解:（1）罐體的）罐體的 確定確定 將罐體視為筒體，取將罐體視為筒體，取 ，由由 得：得： =1.996（m），）， 圓整圓整 , 罐體罐體 （2）罐體）罐體 的確定的確定 因操作壓力因操作壓力 1.6 ， = 1.63mMPa/3.2iL D DNPN、DN/3.2iL D 343.2iVD24iVDL34203.2iDiD2000iDmm2000DNmmPNWpMPaPNMPaLD i 第一章第一章 化工設(shè)備常用金屬材料的基本性能化工設(shè)備常用金屬材料的基本性能 本章要求：本章要求： 一、了解金屬材料的基本性能一、了解金屬材料的基本性能(重點(diǎn)重點(diǎn):機(jī)械、耐腐蝕性能機(jī)械、耐腐蝕性能)；

9、二、掌握化工設(shè)備常用金屬材料牌號(hào)的意義及用途；二、掌握化工設(shè)備常用金屬材料牌號(hào)的意義及用途； 三、了解提高和改善碳鋼機(jī)械性能和加工性能的方法三、了解提高和改善碳鋼機(jī)械性能和加工性能的方法 化工生產(chǎn)的特點(diǎn)：高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕?；どa(chǎn)的特點(diǎn)：高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕。 1.1 金屬材料的基本性能金屬材料的基本性能 一、機(jī)械性能（重點(diǎn)）一、機(jī)械性能（重點(diǎn)） (1) 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度 概念、強(qiáng)度指標(biāo)（概念、強(qiáng)度指標(biāo)（ s、 b） (2) 彈塑性彈塑性 彈塑性指標(biāo)（彈塑性指標(biāo)（E、）、制造化工容器）、制造化工容器 使用材料的使用材料的20%。 (3) 沖擊韌性沖擊韌性 K 制造化工容器使用材料的制造化工容器

10、使用材料的 K 24 Kg m/cm2 (4) 硬度硬度 概念、布氏硬度概念、布氏硬度HB、洛氏硬度、洛氏硬度 HR的測(cè)試方法及應(yīng)用。的測(cè)試方法及應(yīng)用。 (5)碳鋼在高溫下的機(jī)械性能碳鋼在高溫下的機(jī)械性能 強(qiáng)度、彈塑性、沖擊韌性、硬度的變化強(qiáng)度、彈塑性、沖擊韌性、硬度的變化 蠕變現(xiàn)象：蠕變現(xiàn)象： (6)碳鋼在低溫下的機(jī)械性能碳鋼在低溫下的機(jī)械性能r r hFF碳鋼在高溫下的機(jī)械性能碳鋼在高溫下的機(jī)械性能5101520252001004005003000.10.20.30.40.520040060080020406080100200300400800bSET(C) 強(qiáng)度、彈塑性、沖擊韌性、硬度強(qiáng)

11、度、彈塑性、沖擊韌性、硬度的變化的變化 冷脆現(xiàn)象冷脆現(xiàn)象: 二、材料的耐腐蝕性能（重點(diǎn)）二、材料的耐腐蝕性能（重點(diǎn)） 耐腐蝕性能的概念耐腐蝕性能的概念: 衡量耐腐蝕性能的指標(biāo)：衡量耐腐蝕性能的指標(biāo)：腐蝕速率腐蝕速率V（mm/a） 根據(jù)腐蝕速率根據(jù)腐蝕速率V 的不同，金屬材料分為下列三類：的不同，金屬材料分為下列三類： 耐腐蝕材料：耐腐蝕材料：V0.05 mm/a； 尚腐蝕材料：尚腐蝕材料：0.05 mm/a V0.1 mm/a ； 不耐腐蝕材料：不耐腐蝕材料：V 0.1 mm/a 為了使設(shè)計(jì)的化工容器具有一定的使用壽命，在設(shè)計(jì)截為了使設(shè)計(jì)的化工容器具有一定的使用壽命，在設(shè)計(jì)截 面尺寸時(shí)需考慮面

12、尺寸時(shí)需考慮腐蝕裕量腐蝕裕量C2. C2=使用年限使用年限V（單面腐蝕）；（單面腐蝕）；C2=2使用年限使用年限V（雙面腐蝕）（雙面腐蝕） 三、物理性能三、物理性能 密度、熔點(diǎn)、熱脹系數(shù)、沸點(diǎn)等。密度、熔點(diǎn)、熱脹系數(shù)、沸點(diǎn)等。 四、加工工藝性能四、加工工藝性能 金屬材料具有切削、焊接、鑄造、鍛造等加工的可能金屬材料具有切削、焊接、鑄造、鍛造等加工的可能性。制造化工容器使用的材料要求具有良好的加工工藝性性。制造化工容器使用的材料要求具有良好的加工工藝性能，以便制造方便。能，以便制造方便。 1.2 常用金屬材料牌號(hào)的意義及用途常用金屬材料牌號(hào)的意義及用途 制造化工設(shè)備常用金屬材料：碳鋼、合金鋼、鑄

13、鐵、制造化工設(shè)備常用金屬材料：碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金。有色金屬及其合金。 一、碳一、碳 鋼鋼 (1)普通碳素鋼普通碳素鋼 甲類鋼、乙類鋼、特類鋼甲類鋼、乙類鋼、特類鋼, 三種鋼的特點(diǎn)，最常用的是甲三種鋼的特點(diǎn)，最常用的是甲 類類3號(hào)鋼。號(hào)鋼。 甲類鋼的牌號(hào)組成：以甲類鋼的牌號(hào)組成：以Q235AF為例，為例，Q屈服極限屈服極限，235屈服極限值屈服極限值(M Pa) ， A材料的等級(jí)材料的等級(jí)(A、B、C、D四個(gè)等級(jí)四個(gè)等級(jí))，F(xiàn)沸騰鋼沸騰鋼， b半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼，g鍋爐鋼鍋爐鋼，R容器鋼容器鋼，Z鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼(一般一般不寫不寫)。 (2)優(yōu)質(zhì)碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼 優(yōu)質(zhì)碳素鋼的冶煉工藝

14、及對(duì)優(yōu)質(zhì)碳素鋼的冶煉工藝及對(duì)S、P 等雜質(zhì)的控制更加等雜質(zhì)的控制更加 嚴(yán)格，其質(zhì)量和價(jià)格比普通碳素鋼高，牌號(hào)以含碳量（以嚴(yán)格，其質(zhì)量和價(jià)格比普通碳素鋼高，牌號(hào)以含碳量（以 萬分計(jì)）表示，根據(jù)含碳量的不同，優(yōu)質(zhì)碳素鋼可分為三萬分計(jì)）表示，根據(jù)含碳量的不同，優(yōu)質(zhì)碳素鋼可分為三類類 優(yōu)質(zhì)低碳鋼優(yōu)質(zhì)低碳鋼: (C 0.25%) 08、10、15、20、25。 優(yōu)質(zhì)中碳鋼優(yōu)質(zhì)中碳鋼: (0.25% C 0.6%)30、35、40、45、50、55 優(yōu)質(zhì)高碳鋼優(yōu)質(zhì)高碳鋼: (C 0.6%) 60、65、70。 10板材用于制造墊片，板材用于制造墊片，20、20g板材用于制造鍋爐的外板材用于制造鍋爐的外 殼

15、，殼，30、35棒材用于制造螺栓、螺母，棒材用于制造螺栓、螺母，45用于制造傳動(dòng)軸，用于制造傳動(dòng)軸，60、65、70用于制造彈簧、刀具、量具等。用于制造彈簧、刀具、量具等。 碳鋼的耐腐蝕性能較差，但可以用其制造的容器盛放碳鋼的耐腐蝕性能較差，但可以用其制造的容器盛放濃硫酸、濃硝酸濃硫酸、濃硝酸 (原因原因) 。為了提高碳鋼的耐腐蝕性能，。為了提高碳鋼的耐腐蝕性能， 在碳鋼中加入少量的合金元素如在碳鋼中加入少量的合金元素如 M n、Cr、Ni、Ti、V、 S i等生成的鋼稱為合金鋼。等生成的鋼稱為合金鋼。 二、合金鋼二、合金鋼 (1)普通低合金鋼普通低合金鋼 制造容器最常用的牌號(hào)有：制造容器最常

16、用的牌號(hào)有： 16Mn、16MnR、15MnVR、15MnDR 牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義：以牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義：以15MnVR為例，為例，15含碳量含碳量(以萬以萬分計(jì)分計(jì))、M n合金元素合金元素 , 其后的數(shù)字為合金元素含量其后的數(shù)字為合金元素含量(以以百分計(jì)，低于百分計(jì)，低于1.5%不寫不寫)，V合金元素合金元素，R容器容器。 (2)合合金結(jié)構(gòu)鋼金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義與普通低合金鋼相似，合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義與普通低合金鋼相似， 以以20Cr為例：為例：20含碳量含碳量（以萬分計(jì)）、（以萬分計(jì)）、Cr合金元素合金元素, 其后的數(shù)字為合金元素含量（以百分計(jì)，低于其后的數(shù)字為

17、合金元素含量（以百分計(jì)，低于1.5%不不 寫），合金結(jié)構(gòu)鋼在化工設(shè)備上應(yīng)用較少，主要用于通用寫），合金結(jié)構(gòu)鋼在化工設(shè)備上應(yīng)用較少，主要用于通用 機(jī)械。機(jī)械。 (3)不銹鋼及不銹耐酸鋼不銹鋼及不銹耐酸鋼 常用的牌號(hào)有：常用的牌號(hào)有： 1Cr 18Ni 9Ti , 0Cr18Ni 9Ti , 0Cr18Ni 10Ti , 00Cr18Ni 9Ti 牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義：與普通低合金鋼相似，但其含碳量牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義：與普通低合金鋼相似，但其含碳量以千分計(jì)。以千分計(jì)。0.8/1000、0.5/1000 、 0.3/1000。 (4)耐熱鋼耐熱鋼 牌號(hào)較多牌號(hào)較多,每個(gè)牌號(hào)具有不同的使用溫度范圍。每個(gè)

18、牌號(hào)具有不同的使用溫度范圍。 三、鑄三、鑄 鐵鐵 鑄鐵的概念鑄鐵的概念:含碳量為含碳量為2.5-4%的鐵碳合金的鐵碳合金。 特點(diǎn)特點(diǎn):強(qiáng)度強(qiáng)度、硬度高硬度高 ; ; 塑性塑性、焊接性能、冷沖壓性能、焊接性能、冷沖壓性能差差 常用的鑄鐵牌號(hào)有：常用的鑄鐵牌號(hào)有： 灰口鑄鐵灰口鑄鐵(HT)、 球墨鑄鐵球墨鑄鐵(QT)、可鍛鑄鐵、可鍛鑄鐵( KT )、高、高硅鑄鐵硅鑄鐵(GT )。 牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義，以牌號(hào)各項(xiàng)符號(hào)的意義，以HT 150-330為例：為例：HT-灰口鑄鐵灰口鑄鐵、150-抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(M Pa)、330-抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度(M Pa)。 四、有色金屬及其合金（簡(jiǎn)要介紹）四、有色金

19、屬及其合金（簡(jiǎn)要介紹） 銅銅、鋁及其合金。、鋁及其合金。 1.3 提高和改善碳鋼機(jī)械性能和加工性能的方法提高和改善碳鋼機(jī)械性能和加工性能的方法 碳鋼的機(jī)械性能和加工性能由碳鋼的化學(xué)成份和組織碳鋼的機(jī)械性能和加工性能由碳鋼的化學(xué)成份和組織結(jié)構(gòu)決定，因此改變其性能的方法如下。結(jié)構(gòu)決定，因此改變其性能的方法如下。 一、調(diào)正和控制碳鋼的化學(xué)成份一、調(diào)正和控制碳鋼的化學(xué)成份 改變碳鋼的化學(xué)成份可以改變其機(jī)械和加工性能。改變碳鋼的化學(xué)成份可以改變其機(jī)械和加工性能。（舉例說明）（舉例說明） 二、改變碳鋼的組織結(jié)構(gòu)二、改變碳鋼的組織結(jié)構(gòu) 熱處理的概念：熱處理的概念： 常用的熱處理方式：常用的熱處理方式： 退火

20、，正火，淬火，回火，調(diào)質(zhì)處理。退火，正火，淬火，回火，調(diào)質(zhì)處理。 化學(xué)熱處理的概念：化學(xué)熱處理的概念： 常用的熱處理方式：滲碳常用的熱處理方式：滲碳(S-C )，滲氮，滲氮(S-N )，碳氮共滲，碳氮共滲(C-N ) 。 三、三、冷、熱加工冷、熱加工 冷加工和熱加工可以使材料發(fā)生塑性變形，留有殘余冷加工和熱加工可以使材料發(fā)生塑性變形，留有殘余 應(yīng)力，材料的機(jī)械和加工性能都會(huì)發(fā)生改變。應(yīng)力，材料的機(jī)械和加工性能都會(huì)發(fā)生改變。T/t加熱加熱保溫保溫冷卻冷卻 第二章第二章 內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析 本章要求：本章要求： 一、了解回轉(zhuǎn)殼體、中間面、軸對(duì)稱等的概念；一、了解回轉(zhuǎn)殼體、

21、中間面、軸對(duì)稱等的概念； 二、掌握第一曲率半徑、第二曲率半徑的概念；二、掌握第一曲率半徑、第二曲率半徑的概念； 三、掌握薄膜應(yīng)力的基本方程及其應(yīng)用條件；三、掌握薄膜應(yīng)力的基本方程及其應(yīng)用條件； 四、熟練掌握薄膜應(yīng)力理論在典型殼體中的應(yīng)用；四、熟練掌握薄膜應(yīng)力理論在典型殼體中的應(yīng)用； 五、了解邊緣應(yīng)力的概念五、了解邊緣應(yīng)力的概念 薄壁容器的概念薄壁容器的概念: (Do / D i 1.2) 厚壁容器的概念厚壁容器的概念: (Do / D i 1.2) 研究對(duì)象：內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計(jì)研究對(duì)象：內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計(jì)。（原因）。（原因） 內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分類內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分類: : 薄壁容器承受內(nèi)壓

22、作用后，產(chǎn)生的變形如圖所示。薄壁容器承受內(nèi)壓作用后，產(chǎn)生的變形如圖所示。 根據(jù)變形的不同應(yīng)力可分為三類，根據(jù)變形的不同應(yīng)力可分為三類， 1遠(yuǎn)離聯(lián)接邊緣處的兩向拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離聯(lián)接邊緣處的兩向拉應(yīng)力， 即薄膜應(yīng)力即薄膜應(yīng)力 (無力矩理論計(jì)算無力矩理論計(jì)算) 。 2聯(lián)接邊緣處的彎曲正應(yīng)力，聯(lián)接邊緣處的彎曲正應(yīng)力， 即邊緣應(yīng)力即邊緣應(yīng)力 (有力矩理論計(jì)算有力矩理論計(jì)算) 。 3 開孔處由于應(yīng)力集中，產(chǎn)生開孔處由于應(yīng)力集中，產(chǎn)生 的的峰值應(yīng)力峰值應(yīng)力(彈性力學(xué)理論計(jì)算彈性力學(xué)理論計(jì)算)。 本章介紹薄膜應(yīng)力理論及薄膜應(yīng)力的計(jì)算。本章介紹薄膜應(yīng)力理論及薄膜應(yīng)力的計(jì)算。p123 2.1 回轉(zhuǎn)殼體薄膜應(yīng)力理論回轉(zhuǎn)

23、殼體薄膜應(yīng)力理論 一、基本假設(shè)及基本概念一、基本假設(shè)及基本概念 1. 基本假設(shè)基本假設(shè) (1)小位移假設(shè)小位移假設(shè) (2)直法線假設(shè)直法線假設(shè) (3)不擠壓假設(shè)不擠壓假設(shè) 2. 基本概念基本概念 (1) 一般回轉(zhuǎn)殼體一般回轉(zhuǎn)殼體 平面曲線平面曲線AB繞軸線繞軸線O1O2旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 360得到的幾何體。得到的幾何體。 (2)母線、經(jīng)線、法線母線、經(jīng)線、法線 曲線曲線AB稱一般回轉(zhuǎn)殼體的母線稱一般回轉(zhuǎn)殼體的母線,曲線曲線AB1稱一般回轉(zhuǎn)殼稱一般回轉(zhuǎn)殼 體的經(jīng)線，體的經(jīng)線，n稱一般回轉(zhuǎn)殼體在稱一般回轉(zhuǎn)殼體在K點(diǎn)的法線。點(diǎn)的法線。ABO1O2母線母線B1B2經(jīng)線經(jīng)線nK法線法線 (3)回轉(zhuǎn)殼體的中間面回

24、轉(zhuǎn)殼體的中間面 距離殼體外壁和內(nèi)壁等距離距離殼體外壁和內(nèi)壁等距離 的面稱中間面。的面稱中間面。 (4)回轉(zhuǎn)殼體的軸對(duì)稱問題回轉(zhuǎn)殼體的軸對(duì)稱問題 殼體的幾何形狀、約束條件、殼體的幾何形狀、約束條件、 承受的載荷均關(guān)于回轉(zhuǎn)軸對(duì)稱。承受的載荷均關(guān)于回轉(zhuǎn)軸對(duì)稱。 (5)圓錐面、緯線圓錐面、緯線 用圓錐面與回轉(zhuǎn)殼體用圓錐面與回轉(zhuǎn)殼體 正交正交(圓錐面的經(jīng)線與圓錐面的經(jīng)線與 回轉(zhuǎn)殼體的經(jīng)線垂直、回轉(zhuǎn)殼體的經(jīng)線垂直、 圓錐面的底面與回轉(zhuǎn)殼圓錐面的底面與回轉(zhuǎn)殼 體的軸線垂直體的軸線垂直)的交線。的交線。D iSD S緯線緯線圓錐面圓錐面經(jīng)線經(jīng)線回轉(zhuǎn)殼體回轉(zhuǎn)殼體 (6)第一曲率半徑第一曲率半徑1、第二曲率半徑、

25、第二曲率半徑2 第一曲率半徑第一曲率半徑1 ：以經(jīng)線以經(jīng)線AB上任上任 一點(diǎn)一點(diǎn)K為研究對(duì)象，由于經(jīng)線為研究對(duì)象，由于經(jīng)線AB為一為一 平面曲線，則該曲線在平面曲線，則該曲線在K點(diǎn)有一曲率點(diǎn)有一曲率 半徑，則曲率半徑稱曲線在半徑，則曲率半徑稱曲線在K點(diǎn)的點(diǎn)的第第 一曲率半徑一曲率半徑1 。其計(jì)算方法如下：。其計(jì)算方法如下： 若經(jīng)線若經(jīng)線AB的方程為的方程為 ，則，則 第二曲率半徑第二曲率半徑2 ：通過通過K點(diǎn)的法線點(diǎn)的法線 作一與經(jīng)線作一與經(jīng)線AB垂直的平面，該平面垂直的平面，該平面322132121(1),(1)yyyy ( )yf xKAB1K1KnABK22 與與回轉(zhuǎn)殼體的中間面相交，交

26、線為曲線，該曲線在回轉(zhuǎn)殼體的中間面相交，交線為曲線，該曲線在K點(diǎn)也點(diǎn)也 有一曲率半徑，則曲率半徑稱有一曲率半徑，則曲率半徑稱K點(diǎn)的點(diǎn)的第二曲率半徑第二曲率半徑1 。 第二曲率半徑的中心落在回轉(zhuǎn)軸上。第二曲率半徑的中心落在回轉(zhuǎn)軸上。 二、二、回轉(zhuǎn)殼體的回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力分析薄膜應(yīng)力分析 回轉(zhuǎn)殼體承受內(nèi)壓作用后，回轉(zhuǎn)殼體承受內(nèi)壓作用后， 在沿經(jīng)線和緯線方向產(chǎn)生兩在沿經(jīng)線和緯線方向產(chǎn)生兩 向拉伸變形，因此殼體上任向拉伸變形，因此殼體上任 一點(diǎn)在經(jīng)線和緯線方向產(chǎn)生一點(diǎn)在經(jīng)線和緯線方向產(chǎn)生 兩向拉應(yīng)力。兩向拉應(yīng)力。 （如圖所示）（如圖所示）mmp 三、區(qū)域平衡方程三、區(qū)域平衡方程 p 介質(zhì)壓力介質(zhì)壓力(

27、M Pa) 2 第二曲率半徑第二曲率半徑(mm) S 壁厚壁厚(mm) 四、微體平衡方程四、微體平衡方程 1 第一曲率半徑第一曲率半徑(mm) 五、薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)用條件五、薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)用條件 (1)殼體的幾何形狀必須是對(duì)稱的、連續(xù)的。殼體的幾何形狀必須是對(duì)稱的、連續(xù)的。22mpS12mpSmm2pmm (2)殼體所承受的載荷必須是對(duì)稱的、連續(xù)的殼體所承受的載荷必須是對(duì)稱的、連續(xù)的。 2.2 薄膜應(yīng)力理論在典型殼體中的應(yīng)用薄膜應(yīng)力理論在典型殼體中的應(yīng)用 一、承受氣壓作用的圓柱殼一、承受氣壓作用的圓柱殼 中徑為中徑為D、壁厚為、壁厚為S、承受內(nèi)壓、承受內(nèi)壓 p作用的圓柱殼。任意作用的圓柱殼。

28、任意 點(diǎn)點(diǎn)A的薄膜應(yīng)力為：的薄膜應(yīng)力為： 12/2D 、4mpDS2pDSmmADS p 由以上兩式可知：由以上兩式可知： ，因此圓柱殼的危，因此圓柱殼的危險(xiǎn)截面是險(xiǎn)截面是縱截面縱截面，破壞時(shí)沿著，破壞時(shí)沿著軸線方向開裂軸線方向開裂。 二、承受氣壓作用的球殼二、承受氣壓作用的球殼 中徑為中徑為D、壁厚為、壁厚為S、承受內(nèi)壓、承受內(nèi)壓 p 作用的球殼。任意作用的球殼。任意一點(diǎn)一點(diǎn)A的薄膜應(yīng)力為：的薄膜應(yīng)力為： 由以上兩式可知：由以上兩式可知： 因此球殼上任意橫截面都是危險(xiǎn)截面。因此球殼上任意橫截面都是危險(xiǎn)截面。max22mpDS12/2D4mpDSmax4mpDSASDp 三、承受氣壓作用的圓錐

29、殼三、承受氣壓作用的圓錐殼 大端徑為大端徑為D、壁厚為、壁厚為S、錐角為、錐角為2、承受內(nèi)壓、承受內(nèi)壓 p 作用作用的圓錐殼，任意點(diǎn)的圓錐殼，任意點(diǎn)A的薄膜應(yīng)力為：的薄膜應(yīng)力為： 圓錐殼上任意一點(diǎn)的薄膜應(yīng)力圓錐殼上任意一點(diǎn)的薄膜應(yīng)力 隨著點(diǎn)的位置的變化而變化。隨著點(diǎn)的位置的變化而變化。 在錐尖處：在錐尖處： 在錐大端處：在錐大端處： 12/cosmr 、2mmmprprSconScon、0mmax22mpDSconD2r mAS 四、承受氣壓作用的橢球殼四、承受氣壓作用的橢球殼 半長軸、半短軸分別為半長軸、半短軸分別為 的的 橢球殼，承受內(nèi)壓橢球殼，承受內(nèi)壓 p 作用時(shí)，任意作用時(shí)，任意 點(diǎn)點(diǎn)

30、A的薄膜應(yīng)力為：的薄膜應(yīng)力為： 由上式可以看出，由上式可以看出， 是隨是隨 X 而變化的，在極點(diǎn)處而變化的，在極點(diǎn)處 ： 且均為拉應(yīng)力；且均為拉應(yīng)力； 在赤道上在赤道上 ： ab、4222()2mpSbax ab442224222()22()pSbaax abax abm、()2mpaaSb22() 22mpapaaSSb、hbaAp 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，最大應(yīng)力在極點(diǎn)上，時(shí)，最大應(yīng)力在極點(diǎn)上， 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，最大應(yīng)力在極點(diǎn)和赤道上，但赤道上時(shí)，最大應(yīng)力在極點(diǎn)和赤道上，但赤道上 由原來的拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力由原來的拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力: 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，最大應(yīng)力在赤道上，且為壓應(yīng)力時(shí)，最大應(yīng)力在赤道上，且為壓應(yīng)力: 五、

31、承受液壓作用的圓柱殼五、承受液壓作用的圓柱殼 (1)置于地面上的圓柱殼置于地面上的圓柱殼 距離自由液面為距離自由液面為y處處A點(diǎn)點(diǎn)的壓力為：的壓力為： 12ab22abmax()2mpaaSbmax()2mpa aSb2ab2max2( ) 2paaSbHyADAOpygDOS 代入代入 得：得： 但液體的重量通過底板傳到地面上，圓柱殼的經(jīng)線沒有但液體的重量通過底板傳到地面上，圓柱殼的經(jīng)線沒有 發(fā)生變形，所以發(fā)生變形，所以 m = 0，因此，因此區(qū)域平衡方程不適用于承區(qū)域平衡方程不適用于承 受液壓作用的圓柱殼受液壓作用的圓柱殼。 微體平衡微體平衡 方程適用于承受液壓作用的圓柱方程適用于承受液壓作用的圓柱 殼，且殼，且 沿沿高度方向呈線性分布。高度方向呈線性分布。22mpS12mpS4OmygDS2OygDS m = 0 =0max2OHgDS (2) 懸掛的圓柱殼懸掛的圓柱殼 距離自由液面為距離自由液面為 y處處A點(diǎn)的點(diǎn)的 壓力為：壓力為： 在距離自由液面為在距離自由液面為y處將圓處將圓 柱殼截為兩段，取下段為研究柱殼截為兩段，取下段為研究 對(duì)象，其受力如圖所示。對(duì)象，其受力如圖所示。 研究對(duì)象處于平衡狀態(tài)研究對(duì)象處于平衡狀態(tài) Y =0 即即: : AOpygmmAO