安全氣囊壓力發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、目錄第一章緒論 11.1 問題的提出及研究的目的和意義 11.2 汽車安全氣囊及其性能測試國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 11.3 汽車安全氣囊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 21.4 測試裝置及原理 41.5 本論文所要進行的工作 5第二章安全氣囊氣體發(fā)生器壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計 52.1壓力容器的分類4 62.2 壓力容器的結(jié)構(gòu) 72.3 壓力容器設(shè)計準(zhǔn)則 82.4 壓力容器殼體形狀選擇 16第三章壓力容器基本參數(shù)設(shè)計 173.1 壓力容器殼體材料的選擇 173.2 筒體設(shè)計參數(shù)的確定 203.3 壓力容器封頭設(shè)計 233.4 封頭與圓筒的連接設(shè)計 293.5 壓力容器底部設(shè)計 303.6 密封圈的選擇 31第四章壓力容器與測試

2、裝置接口設(shè)計 31第五章開孔補強設(shè)計 315.1 開孔的形狀 325.2 開孔后的補強 325.3 等截面積補強法 33總結(jié) 36參考文獻(xiàn) 37致謝 39第一章緒論1.1 問題的提出及研究的目的和意義隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高，汽車的行駛速度越來越快，特別是由于汽 車擁有量的迅速增加，交通越來越擁擠，使得事故更為頻繁，所以汽車的安全性顯得特 別重要。安全氣囊作為一種安全配置，以其較高的安全性已經(jīng)逐漸在各類轎車上普及,并迅速發(fā)展成為一個全新的高科技產(chǎn)業(yè)。因此,安全氣囊的研究與發(fā)展對中國的汽車工業(yè) 的現(xiàn)代化具有十分重要的意義，尤其是中國加入 WTO之后，這種意義將更加深刻。目 前，我國安全

3、氣囊的研究與發(fā)展已初具基礎(chǔ)和規(guī)模，但是離世界先進水平還相差甚遠(yuǎn)， 這些差距主要包括安全氣囊法規(guī)、撞車實驗系統(tǒng)、安全氣囊的設(shè)計、制造和測試等方面。 在測試方面、傳感器、氣體發(fā)生器和氣囊技術(shù)規(guī)范及檢測還未達(dá)到一個令人滿意的狀態(tài)。 據(jù)資料表明，國內(nèi)還沒有一套完整的安全氣囊性能測試系統(tǒng)，我國生產(chǎn)的安全氣囊一般 要到國外進行測試。這樣提高的費用，削弱了我國的安全氣囊在市場上的競爭力。隨著 我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)一些大公司準(zhǔn)備建立大規(guī)模安全氣囊生產(chǎn)線。所以，設(shè) 計一套安全氣囊性能測試系統(tǒng)，對我國汽車工業(yè)具有重要意義。1.2 汽車安全氣囊及其性能測試國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r汽車安全氣囊的初步想法產(chǎn)生于美國。19

4、52年，美國汽車生產(chǎn)者聯(lián)合會在理論上闡 述了這樣一種汽車安全系統(tǒng)的必要性，1953年8月18日取得了第一個美 國安全氣囊的專利權(quán)，但是,當(dāng)時由于技術(shù)水平的限制，還不能把這種想法或?qū)＠吨T實 現(xiàn)，直至1984年，汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS208在美國經(jīng)多次被廢除后又重新被認(rèn) 可并開始實施，其中規(guī)定從1995年9月1日以后制造的轎車前排座前均應(yīng)裝備安全 氣囊，同時還要求1998年以后的轎車都裝備駕駛者和乘客用的安全氣囊，自此才確認(rèn) 了安全氣囊的作用。目前，世界上很多國家都有要求在新車上必須安裝氣囊。例如在美國，相應(yīng)的法規(guī) 已從1989年起實施該法規(guī)要求一定要安裝大尺寸的氣囊。而歐洲的專家們則認(rèn)為

5、最好 的方案應(yīng)該是：安全帶和小尺寸氣囊的配合使用。 所以，歐洲的公司只生產(chǎn)小尺寸氣囊。 現(xiàn)在，在汽車上，一個氣囊安裝在駕駛盤上，一個安裝在駕駛員旁前排乘員的前面。側(cè) 面氣囊或者裝在車門上，或者裝在座椅靠背上，氣囊用尼龍制成，材料厚度為0.45mm為了保證氣囊的氣密性，在其內(nèi)表面涂復(fù)薄薄一層合成橡膠或硅橡膠。在氣囊的內(nèi)表面固定有專門的帶子，這些帶子在氣囊充氣時能使其保持一定形狀。 氣囊側(cè)面設(shè)有許多孔， 這些孔用來快速從氣囊中排出氣體。這點十分重要的，否則，人就會被氣囊推向后面或 被一個氣囊或幾個氣囊擠住而受傷。為避免氣囊因長期疊置而成硬塊，在氣囊內(nèi)部覆蓋 一層特殊的材料，它可使氣囊的有效使用期達(dá)

6、到15年。在20世紀(jì)80年代末，我國一批從事汽車碰撞安全和軍工研究的專家與學(xué)者開始關(guān)注汽車安全氣囊的研究與發(fā) 展。1992年9月，我國自行設(shè)計與研制的FS-01型安全氣囊，通過了撞車實驗與設(shè)計 定型。在“九五”規(guī)劃和“十五”規(guī)劃中，國家經(jīng)貿(mào)委和汽車行業(yè)將安全氣囊列為我國汽車零配件三個重大發(fā)明之一（電子噴油系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)）。 在十多年的研究與發(fā)展過程中，國內(nèi)許多大學(xué)與公司的安全氣囊的研究與產(chǎn)品已初具基 礎(chǔ)，其中部分研究與技術(shù)已接近國際水平 。例如清華大學(xué)的黃世霖等人在汽車碰撞實 驗中，系統(tǒng)的研究了多種國產(chǎn)汽車中安全氣囊的匹配技術(shù)，對汽車安全氣囊的點火控制 模擬、汽車碰撞的過程

7、模擬和實驗驗證以及有關(guān)軟件在汽車安全氣囊系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用 方面作了大量工作。還有南京理工大學(xué)在傳感器、氣體發(fā)生器和氣囊設(shè)計方面具有雄厚 的基礎(chǔ)，他們的機電一體式傳感器、疊氮化鈉氣體發(fā)生器、分步式氣囊的研究與產(chǎn)品曾 受國外著名公司邀請在德國做過數(shù)次評估，得到極大關(guān)注。但是，國內(nèi)對安全氣囊性能 測試系統(tǒng)方面的研究比較少3，尚沒有一套完整的測試系統(tǒng)。目前國內(nèi)僅航天系統(tǒng)某所 對汽車安全氣囊性能能夠進行簡單測試，且采用彈簧式，受到多種條件限制，穩(wěn)定性不 是很好。自由落體式測試裝置系統(tǒng)在國內(nèi)尚屬空白。我國生產(chǎn)的安全氣囊性能大部分要到國外測試，例如，錦恒汽車安全系統(tǒng)公司生產(chǎn)的 SR-40安全氣囊在國內(nèi)無法測

8、試 需要到國外進行匹配裝置實驗。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，安全氣囊及測試系統(tǒng)研究方 面有所創(chuàng)新并擁有自己的關(guān)鍵技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)才是安全氣囊發(fā)展的立足之本。國外對汽車安全氣囊性能測試裝置設(shè)計主要為彈簧式、自由落體式等。1.3 汽車安全氣囊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理現(xiàn)代安全氣囊系統(tǒng)由碰撞傳感器、緩沖氣囊、氣體發(fā)生器及控制塊（電腦）等組成。1. 傳感器：碰撞傳感器、電子式傳感器、機電式傳感器。碰撞傳感器。安全氣囊系統(tǒng)中的重要部件，其功能是檢測、判斷汽車發(fā)生碰撞后的 撞擊信號，以便決定是否展開緩沖氣囊。碰撞傳感器主要有三種類機械式傳感器在早期 的安全氣囊中使用較多，主要應(yīng)用慣性原理，利用傳感器中元件的慣性力克服彈簧力來

9、 觸發(fā)氣體發(fā)生器。機械式在加速度較低時保證不啟動氣囊，可靠性較高；但只能單點傳 感，對機械部件的品質(zhì)、精度和耐磨性要求極高。電子式傳感器是一種應(yīng)用最早的碰撞傳感器，根據(jù)電子原理，利用電信號來反映車 身減速度，而后根據(jù)電信號來判別是否展開緩沖氣囊。機電式傳感器采用機電結(jié)合的方式，將機械信號轉(zhuǎn)化為電子信號，再利用電子信號 點爆安全氣囊。即具有機械式的優(yōu)點，又能克服機械式傳感器本身存在的缺陷，安裝在 車身上任何位置，以便得到較好的減速信號，而且能夠在同一位置安裝多個傳感器。2. 緩沖氣囊。氣囊一般由防裂性能好的聚酞胺織物制成， 它是一種半硬的泡沫塑料， 能承受較大的壓力；經(jīng)過硫化處理，可減少氣囊沖氣

10、膨脹時的慣性力；為使氣體密封， 氣囊里面涂有涂層材料。氣囊的大小、形狀、漏氣性能是確定安全氣囊保護效果的重要 因素，必須根據(jù)不同汽車的實際情況來確定。3. 氣體發(fā)生器。安全氣囊系統(tǒng)要求氣體發(fā)生器能夠在較短的時間內(nèi)（30 ms左右）產(chǎn)生大量的氣體充滿氣囊，產(chǎn)生的氣體必須對人體無害，且不能溫度太高，同時要求氣 體發(fā)生器有很高的可靠性和穩(wěn)定性。氣體發(fā)生器主要有：壓縮氣體式、煙火式和混合式 三種型式。混合式氣體發(fā)生器是壓縮氣體式和煙火式相結(jié)合的發(fā)生器，也是目前廣泛應(yīng) 用一種氣體發(fā)生器。4. 控制裝置。一般集成在微計算機中。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時，電控裝置接收多個 傳感器傳來的車身不同位置的減速信號，經(jīng)過

11、反復(fù)不斷的分析、比較、計算，決定是否 發(fā)出點火信號。要求控制裝置能夠在復(fù)雜的碰撞情況下作出非常準(zhǔn)確的判斷，點火時刻 也必須精確控制。雖然安全氣囊在結(jié)構(gòu)上會有所不同，但其工作原理基本一致。汽車行駛過程中， 傳感器系統(tǒng)不斷向控制裝置發(fā)送速度變化 （或加速度）信息，由控制裝置（中央控制器） 對這些信息加以分析判斷，如果所測的加速度、速度變化量或其它指標(biāo)超過預(yù)定值（即 真正發(fā)生了碰撞），則控制裝置向氣體發(fā)體發(fā)生器發(fā)出點火命令或傳感器直接控制點火， 點火后發(fā)生爆炸反應(yīng)，產(chǎn)生 N2或?qū)夤拗袎嚎s氫氣釋放出來充滿碰撞氣袋。乘員與 氣袋接觸時，通過氣袋上排氣孔的阻尼吸收碰撞能量，達(dá)到保護乘員的目的。安全氣囊

12、根據(jù)安裝的位置及保護對象不同，主要分為：對駕駛員進行保護的氣囊， 裝在方向盤內(nèi)，防止駕駛員與轉(zhuǎn)向盤、儀表板及前擋風(fēng)玻璃發(fā)生碰撞；對前排乘員進行 保護的氣囊，裝在儀表板內(nèi)，防止乘員與儀表板、前擋風(fēng)玻璃發(fā)生碰撞；對后排乘員進行保護的氣囊，一般安裝在前排座椅的靠背上后部或頭枕內(nèi)部，防止乘員與前排座椅發(fā) 生碰撞。由于后排乘員受到的傷害程度較輕，后座椅安全氣囊一般只在高級轎車上使用 安全氣囊對人體保護工作原理如圖 1。圖1安全氣囊工作基本原理保護1.4 測試裝置及原理氣體發(fā)生器的產(chǎn)氣性能好壞是通過進行密閉充氣筒內(nèi)的壓力測試來檢測的，通過對壓力的檢測可以對氣體發(fā)生劑的燃燒速度和氣體生成量進行判定。對壓力的

13、測試實驗是在常溫和低溫情形下進行，以便保證氣體發(fā)生器在嚴(yán)冬和盛夏均可以產(chǎn)生適量的氣 體而正常工作。實驗系統(tǒng)中使用的氣體發(fā)生器為機械式氣體發(fā)生器，其設(shè)計和制造是一個比較復(fù) 雜的過程。它主要由外殼、雷管（或火帽）、增壓劑（或?qū)П幹?、氣體發(fā)生劑以及 過濾器等部分組成19。氣體發(fā)生器中的氣體發(fā)生劑是一種火藥，其單位時間產(chǎn)氣量是 由氣體發(fā)生劑的線性燃速和燃燒面積決定的，氣體發(fā)生器單位時間的氣體流出量是由 噴嘴面積的大小和燃燒室中的壓力決定的2021。該套模擬整車撞擊的系統(tǒng)主要由臺架系統(tǒng)、密閉充氣筒及其電磁控制機構(gòu)、傳感器、 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。臺架系統(tǒng)由底座、導(dǎo)軌、充氣筒提升架3個部分組成，充氣

14、筒的提升、釋放及高度控制通過有關(guān)的電磁控制機構(gòu)來實現(xiàn)。利用充氣筒從一定高度沿 導(dǎo)軌下落后與臺架底座上的彈性緩沖墊發(fā)生碰撞來實現(xiàn)汽車碰撞過程的模擬，而充氣筒從一定高度下落時產(chǎn)生的具有一定強度 90 ±10 g和持續(xù)時間為10 ±5ms的沖擊信號 時將觸發(fā)引爆裝在充氣筒內(nèi)的氣體發(fā)生器，利用安裝在充氣筒內(nèi)的壓力傳感器就可以 對氣體發(fā)生器產(chǎn)氣后的整個壓力變化過程進行實驗研究。裝置組成如圖2所示。1底座 2導(dǎo)軌 3充氣筒提升架4電磁機構(gòu)5壓力傳感器6充氣筒7藥盒內(nèi)傳感器8 產(chǎn)氣藥盒9加速度傳感器10碰撞觸頭11 彈性緩沖墊圖2實驗裝置示意圖測試原理簡述如下：電磁控制機構(gòu)將充氣筒提升至

15、一定的高度并釋放，充氣筒沿導(dǎo) 軌落下，其上的觸頭10與彈性緩沖墊11發(fā)生碰撞，碰撞產(chǎn)生的沖擊力的大小由加速度傳 感器進行記錄，當(dāng)碰撞加速度滿足一定的峰值90± 10 g及持續(xù)時間10± 5ms的閾值要求 時，該碰撞過程就會引爆裝在筒內(nèi)的氣體發(fā)生器，氣體發(fā)生器將被點火信號引燃并迅速 產(chǎn)氣。氣體發(fā)生器引爆后瞬間在密閉筒內(nèi)產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，通過安裝在筒內(nèi)的壓 力傳感器5對充氣筒內(nèi)壓力變化過程進行記錄，通過安裝在藥盒內(nèi)的壓力傳感器7對藥盒 內(nèi)壓力變化過程進行記錄，記錄下的信號通過信號適配器轉(zhuǎn)換并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，充氣筒內(nèi)以及藥盒內(nèi)壓強隨時間變化的p - t曲線將被記錄下來，通過p

16、 - t曲線可以得到從撞擊 開始到壓強達(dá)到最大值的時間、壓強上升速率等有關(guān)參數(shù)值，從而對氣體發(fā)生器的產(chǎn)氣 性能及質(zhì)量進行研究。數(shù)據(jù)處理方面，本系統(tǒng)具備各參數(shù)同時顯示、及時分析、隨時打 印、自動存盤等優(yōu)點22。1.5 本論文所要進行的工作安全氣囊壓力發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計，筒體設(shè)計基本參數(shù)設(shè)計、端蓋基本參數(shù)設(shè)計、壓力 容器與測試裝置接口設(shè)計等。第二章安全氣囊氣體發(fā)生器壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 壓力容器的分類（1）按容器的作用原理分換熱容器、反應(yīng)容器、分離容器、貯運容器。（2）按容器承受的介質(zhì)壓力來分a. 常壓容器對于圓筒形容器，-0.02MPaW pvO.IMPab. 受壓容器 外壓容器容器外部壓力大于內(nèi)

17、部壓力。 內(nèi)壓容器低壓容器（代號 L）: O.IMPsKp<1.61MPa中壓容器（代號 M） : 1.61MPa< p<1O1MPa高壓容器（代號 H）: 1O1MPaC p<1OO1MPa超高壓容器（代號 U）: p> 1OO1MPa（3）按容器壁厚分根據(jù)容器外徑DO和內(nèi)徑D的比值K （K=D/Di）將容器分為薄壁容器（KW 1.2 ）和厚 壁容器（K>1.2）。（4）壓力容器的綜合分類國家勞動部門為了便于安全技術(shù)管理和監(jiān)督檢查，根據(jù)容器承受壓力的高低，壓力 與容積乘積大小、介質(zhì)的危害程度，及容器在生產(chǎn)過程中的作用的綜合分類方法。壓 力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)

18、程將容器分為三類：一類容器：低壓容器（二、三類容器中的低壓容器除外）。二類容器：屬下列情況之一者為二類容器。 中壓容器（三類容器中的中壓容器除外）； 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器； 易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器和貯存容器； 搪玻璃壓力容器； 低壓管殼式余熱鍋爐。三類容器：屬下列情況之一者為三類容器。 高壓容器； 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的中壓容器和pV>0.2MPa吊的低壓容器； 易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)且 pV>0.5MPam的中壓反應(yīng)容器和pV> 10MPa-吊的中壓儲存容器； 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐。2.2 壓力容器的結(jié)構(gòu)壓力容器的結(jié)構(gòu)

19、形式是多種多樣的，它是根據(jù)容器的作用、工藝要求、加工設(shè)備和制造方法等因素確定的。如下圖所示分別是常見的圓筒形容器和球形容器圖3圓筒形容器1-主螺栓2-主螺母3-端蓋4-筒體端部5-內(nèi)筒6-層板層7-環(huán)焊縫8-縱焊縫9-管法蘭10-接管11-球形封頭12-管道螺栓13-管道螺母14-平封頭圖4球形容器1-支柱2-中部平臺3-頂部操作平臺4-北極板5-北溫帶6-赤道帶7-南溫帶8-南極板9-拉桿從圓筒形容器圖可知，容器的結(jié)構(gòu)是由壓力容器的殼體、密封元件和支座等主要部 件組成的。此外，作為一種生產(chǎn)工藝設(shè)備，有些壓力容器，如用于化學(xué)反應(yīng)、傳熱、分 離等工藝過程的壓力容器，其殼體內(nèi)部還裝有工藝所要求的內(nèi)

20、件。對此，本畢業(yè)設(shè)計不 作專門介紹，而只介紹壓力容器的其他部件。2.3 壓力容器設(shè)計準(zhǔn)則（1）應(yīng)力分類ASM毗一2規(guī)范要求進行精確的彈性應(yīng)力分析，把應(yīng)力分析報告作為設(shè)計的基本 依據(jù)，所以，把這種設(shè)計方法稱為“分析設(shè)計”，而把傳統(tǒng)規(guī)范進行的設(shè)計稱為“規(guī)則 設(shè)計”或“常規(guī)設(shè)計”。分析設(shè)計認(rèn)為：有彈性計算求得的各類應(yīng)力對結(jié)構(gòu)破壞所起的 作用是不同的，因而，他們的重要性即導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的危險性也不同。通過應(yīng)力強度評 價，給出設(shè)計依據(jù)，必要時，還要進行疲勞分析。按性質(zhì)不同，應(yīng)力分為兩大類：一次應(yīng)力、二次應(yīng)力；按影響范圍的大小分為三類: 總體應(yīng)力、局部應(yīng)力、峰值應(yīng)力；按分布規(guī)律不同，應(yīng)力又可分為：沿斷面均勻

21、分布的 均布應(yīng)力，如薄膜應(yīng)力，沿斷面線性分布的線性應(yīng)力，如彎曲應(yīng)力，沿斷面非線性分布 的應(yīng)力。以上各種應(yīng)力分類是相互交叉的。一次應(yīng)力可以有總體應(yīng)力、局部應(yīng)力和集中 應(yīng)力三種。進一步又可分為一次總體薄膜應(yīng)力，一次總體彎曲應(yīng)力二次應(yīng)力也一樣， 但如果對選擇恰當(dāng)?shù)脑S用應(yīng)力沒有影響，就不必再細(xì)分了對于設(shè)計人員，比較常用的應(yīng)力分類基本概念有一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力(primary stress )P。由于外載荷作用而在容器部件內(nèi)產(chǎn)生的正應(yīng)力或 剪應(yīng)力。或者平衡外部機械載荷所必須的應(yīng)力。其特點有兩個：一是滿足靜力平衡條 件，即載荷增加，應(yīng)力相應(yīng)增加，應(yīng)變也增加；二是非自限性，應(yīng)力沿壁厚方向均

22、勻分 布。一次應(yīng)力又可分為以下三類：一次總體薄膜應(yīng)力 (general primary membranestress )Pm。影響范圍遍及整個結(jié) 構(gòu)的薄膜應(yīng)力，如，各種應(yīng)力中平衡壓力或分布載荷所引起的薄膜應(yīng)力。一次局部薄膜應(yīng)力 (primary local membrane stress ) Pl。應(yīng)力水平大于一次總 體薄膜應(yīng)力，但影響范圍僅限于結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的一次薄膜應(yīng)力 。如，在殼體的固定支 座或接管處由外載荷和力矩引起的薄膜應(yīng)力。一次彎曲應(yīng)力(primary bending stress )Pb。平衡壓力或其他機械載荷所需的沿 截面厚度方向線性分布的彎曲應(yīng)力 ，如，平蓋上壓力引起的彎曲應(yīng)力

23、。二次應(yīng)力(secondary stress )Q。由于容器部件的自身約束或相鄰部件的約束而 產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力5?；蛘邼M足變形協(xié)調(diào)(連續(xù)性)要求所必須的應(yīng)力。其特點也有兩個：一是滿足變形條件；二是自限性。即局部屈服和小量塑性變形就 可以使約束條件或變形條件得到滿足，從而使變形不再繼續(xù)增大，只要不反復(fù)加載，結(jié) 構(gòu)處于“安定”狀態(tài)，不會導(dǎo)致破壞，所以，二次應(yīng)力的許用值應(yīng)根據(jù)“安定性”的概 念予以限制，如熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力。峰值應(yīng)力(peak stress)F。由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，而加到一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之上的 應(yīng)力增量5。其特征為：一般同時有自限性和局部性，整體不變形，但往往是引起疲勞

24、 和脆性斷裂的根源。在疲勞設(shè)計時，需要對峰值應(yīng)力加以限制。控制一次應(yīng)力極限是為了防止過分彈性變形，包括穩(wěn)定在內(nèi)；控制一次應(yīng)力與二次應(yīng)力疊加的極限，是為了防止過分的彈性變形和增長性破壞一 塑性不安定；控制峰值應(yīng)力極限的目的是防止由周期性載荷引起的疲勞破壞。"I應(yīng)力分類與容器的破壞形式往往存在對應(yīng)關(guān)系，如：薄膜應(yīng)力對應(yīng)容器開裂；彎曲 應(yīng)力對應(yīng)容器變形；二次應(yīng)力對應(yīng)容器的安定性問題；峰值應(yīng)力對應(yīng)容器的疲勞開裂。 一次應(yīng)力中的總體薄膜應(yīng)力的應(yīng)力強度小于或等于許用應(yīng)力，即(Pm) < c< 一次應(yīng)力中的局部薄膜應(yīng)力的應(yīng)力強度v 1.5 c，即PLW 1.5 c(在規(guī)定設(shè)計中,4=

25、8/1.6,再分析設(shè)計中cl= os/1.5） o 一次應(yīng)力中的總體薄膜應(yīng)力或局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力之和的應(yīng)力強度w1.5 4，即 Pm （ Pl） + Pb< 1.5 4 o 一次應(yīng)力中的總體薄膜應(yīng)力或局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力與二次應(yīng)力之和的應(yīng)力 強度w 3 4，即Pm （ Pl） + Pb+ Qw 3 4 （在規(guī)則設(shè)計中，4= os/3.0，在分析設(shè)計 中4= 4/2.6）o 一次應(yīng)力與二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力之和的應(yīng)力強度不能超過由疲勞曲線所確定的 許用應(yīng)力，即Pm （ Pl）+ Pb + Q+ FW Sao壓力容器典型零部件中的應(yīng)力分類見表1 o表1壓力容器典型零部件中的應(yīng)力分類零部件名

26、稱應(yīng)力位置引起其應(yīng)力的原因應(yīng)力分類符號圓柱形或 球形殼體遠(yuǎn)離不連續(xù) 處的殼壁內(nèi)壓總體薄膜應(yīng)力沿壁厚的應(yīng)力梯度（如厚壁筒）二次應(yīng)力PmQ軸向溫度梯度溥膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力二次應(yīng)力Q與封頭或法 蘭的連接處內(nèi)壓局部溥膜應(yīng)力一次應(yīng)力 彎曲應(yīng)力二次應(yīng)力PlQ任何殼體 或封頭沿整個容器 的任何截面外部載何或力矩， 或內(nèi)壓沿整個截面平均的總體薄膜應(yīng) 力，垂直于橫截面一一總體薄膜 應(yīng)力Pm外部載何或力矩沿整個截面的線性分布（并非沿 厚度）的彎曲力，垂直于橫截面 總體薄膜應(yīng)力Pm在接管或其 他開孔的附 近外部載何或力矩， 或內(nèi)壓局部溥膜應(yīng)力一次應(yīng)力 彎曲應(yīng)力二次應(yīng)力峰值應(yīng)力（填角或直角）PlQF任何位置殼體和封頭間

27、溫差溥膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力二次應(yīng)力Q凸形封頭或 錐形封頭頂部內(nèi)壓總體薄膜應(yīng)力一次彎曲應(yīng)力PmPb過渡區(qū)域與殼體連接處內(nèi)壓局部溥膜應(yīng)力一次應(yīng)力 彎曲應(yīng)力一次應(yīng)力PlQ平封頭中央?yún)^(qū)內(nèi)壓總體薄膜應(yīng)力一次彎曲應(yīng)力PmPb與殼體連接 處內(nèi)壓局部溥膜應(yīng)力一次應(yīng)力 彎曲應(yīng)力一次應(yīng)力PlQ多孔的封頭或殼體均勻布置的 典型管孔帶壓力薄膜應(yīng)力（沿橫截面平均分布） 一次應(yīng)力彎曲應(yīng)力（沿管孔帶寬度平均， 沿壁厚線性分布）一次應(yīng)力 峰值應(yīng)力PmPbF分離的或非典型的孔帶壓力薄膜壓力一一二次應(yīng)力 彎曲應(yīng)力 峰值應(yīng)力 峰值應(yīng)力QFF接管垂直于接管 軸線的橫截 面內(nèi)壓或外部載何或 力矩外部載何或力 矩總體薄膜應(yīng)力（沿截面平均）

28、沿接管截面的彎曲應(yīng)力一一總體 薄膜應(yīng)力PmPm接管壁內(nèi)壓總體薄膜應(yīng)力 局部薄膜應(yīng)力 二次彎曲應(yīng)力 峰值應(yīng)力PmPl Q F膨脹差溥膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力二次應(yīng)力Q峰值應(yīng)力F覆層任意位置熱膨脹差溥膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力峰值應(yīng)力F任何部件任意位置沿殼壁厚度方向 上的溫度梯度當(dāng)量線性應(yīng)力應(yīng)力分布的非線性部分QF任何部件任意位置任意原因應(yīng)力集中（缺口效應(yīng)）F（2）設(shè)計準(zhǔn)則壓力容器的設(shè)計準(zhǔn)則與失效準(zhǔn)則是一個問題的兩個方面，采用何種設(shè)計準(zhǔn)則就是采用何種失效準(zhǔn)則的問題。設(shè)計壓力容器時，首先應(yīng)確定容器的失效準(zhǔn)則，然后按失效準(zhǔn) 則選擇強度理論和計算公式，并確定安全系數(shù)。在壓力和溫度作用下喪失了正常的工作能力為失效，失效的最

29、終表現(xiàn)形式為泄露、 過度變形和斷裂，所以失效不完全等同于破壞。壓力容器失效形式大致可分為強度失效、 剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏時效。壓力容器的設(shè)計準(zhǔn)則通常有下列幾種5,8。 彈性失效準(zhǔn)則。按照彈性強度理論，當(dāng)容器上邊緣地區(qū)的相當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服時， 即為容器承受的極限狀態(tài)。它規(guī)定了屈服極限是容器失效的應(yīng)力?？紤]安全系數(shù)后，容 器實際應(yīng)力處在彈性范圍內(nèi)。GB 150對內(nèi)壓圓筒、內(nèi)壓凸形封頭等原件的設(shè)計公式都是按彈性失效原理制定的。 塑性失效準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則認(rèn)為，容器上某一點達(dá)到屈服時，并不會導(dǎo)致容器的失 效。只有當(dāng)整體屈服時，才是容器承受的極限狀態(tài)。它規(guī)定了全屈服壓力是容器失效的 最高壓力?？紤]安全系數(shù)后

30、，可得彎曲壓力的強度校核條件達(dá) 1.5押。對于脆性材料，盡管也是承受彎曲應(yīng)力，但當(dāng)器壁表面達(dá)os再繼續(xù)增加外載荷時，器壁表面不能產(chǎn)生較大的塑性變形而將導(dǎo)致破裂。所以，僅從壓力容器設(shè)計中引入塑性 失效準(zhǔn)則這一點考慮，選材時也要盡量將塑性較差的脆性材料排除在外，或采取相應(yīng)的 限制措施。JB 4732 1995鋼制壓力容器一一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供了以塑性失效準(zhǔn)則為基 礎(chǔ)的設(shè)計方法。GB 150對平板、對整體法蘭（包括按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭） 連接的圓筒（或 接管）頸部等原件的設(shè)計或應(yīng)力計算公式，都是按塑性失效原理制定的。 彈塑性失效準(zhǔn)則。彈塑性失效準(zhǔn)則適用于反復(fù)加載過程。按照應(yīng)力分類的概念， 當(dāng)容器

31、邊緣地區(qū)出現(xiàn)一定量的局部塑性變形時，即為容器承載的極限狀態(tài)。它考慮到由 于邊緣應(yīng)力產(chǎn)生過大的塑性變形時，將會加速疲勞破壞或造成脆性斷裂。由于這一失效 準(zhǔn)則，允許結(jié)構(gòu)有局部的塑性變形存在，且由于應(yīng)力在結(jié)構(gòu)各處的分布不均勻，局部塑 性區(qū)為廣大彈性區(qū)所包圍，故稱之為彈塑性失效準(zhǔn)則。彈塑性失效準(zhǔn)則也不適用于脆性材料。JB 4732 1995鋼制壓力容器一一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供了以彈塑性失效準(zhǔn)則為 基礎(chǔ)的設(shè)計方法。GB 150對內(nèi)壓錐形和封頭和圓筒的連接、無折邊球形封頭對圓筒的連接等件的設(shè) 計公式和圖表，都是按彈塑性變形失效原理制定的。 疲勞失效準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則認(rèn)為，容器在交變載荷作用下，當(dāng)最大交變應(yīng)力（在循

32、環(huán)次數(shù)一定時）或循環(huán)次數(shù)（在最大交變應(yīng)力一定時）達(dá)到疲勞設(shè)計曲線的規(guī)定值時， 即為容器承載的極限狀態(tài)。當(dāng)設(shè)計規(guī)定要求考慮容器的疲勞問題時，除對容器進行強度 計算外，還需進行疲勞設(shè)計，即進行容器壽命計算?！鞍捶治鲈O(shè)計”的容器設(shè)計規(guī)范包括疲勞設(shè)計方法。由于疲勞設(shè)計涉及彈塑性失效 準(zhǔn)則，所以將疲勞設(shè)計列入分析設(shè)計體系，應(yīng)當(dāng)采用JB/T 4732 1995鋼制壓力容器一一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，它在選材、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗等方面都嚴(yán)于按規(guī)定 設(shè)計的GB 150標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過105為高周疲勞，102105為低周疲勞。JB/T 4732 1995規(guī)定 對于常溫抗拉強度 e<550MPa的鋼材，

33、疲勞循環(huán)次數(shù)小于1000次可免做疲勞分析。對于承受疲勞載荷的壓力容器而言，通常要求采用正火鋼板且對鋼板逐張進行超聲 波檢測川級合格，大多都要求對焊接接頭進行百分之百無損檢測并對設(shè)備進行焊后消除 應(yīng)力熱處理。采用下述措施可提高其可靠性：對焊接接頭余高打磨至與母材平齊；角焊 縫的內(nèi)外尖角倒圓；適當(dāng)提高殼體厚度以降低一次應(yīng)力水平（提高設(shè)計壓力是從另一方 面體現(xiàn)了這一目的，壓力波動不超過設(shè)計壓力20%時可以考慮免除按疲勞設(shè)計）；通過結(jié)構(gòu)受力分析盡可能使“該薄的薄，該厚的厚”。 斷裂失效準(zhǔn)則。是按照斷裂力學(xué)概念，以造成容器低應(yīng)力脆斷時的應(yīng)力或裂紋 尺寸作為臨界狀態(tài)的一種計算準(zhǔn)則。 這種臨界狀態(tài)和相應(yīng)的斷

34、裂失效準(zhǔn)則有臨界應(yīng)力強 度因子及K準(zhǔn)則，臨界裂紋張開位移及 COD準(zhǔn)則，臨界J積分準(zhǔn)則。斷裂失效準(zhǔn)則一 般應(yīng)用于帶有超標(biāo)缺陷的在役壓力容器的評定，以判定該容器是否可以繼續(xù)使用（有條 件下的監(jiān)督使用）或報廢。我國在1984年公布的壓力容器缺陷評定規(guī)范（CVDA 1984）后續(xù)又有GB/T 19624在用含缺陷壓力容器安全評定，以COD準(zhǔn)則為主；工程中準(zhǔn)對應(yīng)力腐蝕的研 究方法和相應(yīng)技術(shù)措施常以 Kic為主；準(zhǔn)備編制的超高壓容器標(biāo)準(zhǔn)中的材料技術(shù)指標(biāo)也 是按Kic為判斷指標(biāo)。直接應(yīng)用斷裂失效準(zhǔn)則受到限制，但是其基本思想是被廣泛采用的，例如規(guī)則設(shè)計 中對高強度材料制造的壓力容器給予特殊的關(guān)注；開孔補強結(jié)

35、構(gòu)中限制過厚的補強圈被使用；低溫壓力容器的特殊設(shè)計問題；碳鋼和低合金鋼制壓力容器水壓試驗時的最低水 溫限制等都是斷裂力學(xué)思想在壓力容器中的具體體現(xiàn)和應(yīng)用。 蠕變失效準(zhǔn)則。這是容器處在高溫工作下的一種設(shè)計準(zhǔn)則。容器在高溫和一定 應(yīng)力的長期作用下，塑性變形將不斷積累。當(dāng)其蠕變速率（或等效蠕變應(yīng)力）達(dá)到一定 值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。按照蠕變失效準(zhǔn)則進行設(shè)計時，應(yīng)將容器的蠕變值（或按蠕變方程算得的相當(dāng)應(yīng)力） 限制在某一許用范圍。但規(guī)則設(shè)計對高溫容器的設(shè)計僅在某一定的高溫下選用合適的高 溫用材料，并按蠕變極限和持久強度來確定其許用應(yīng)力，以便對蠕變值進行控制。一般認(rèn)為，當(dāng)溫度高于金屬材料的0.250

36、.35Tm（或以絕對溫度表示的熔點）時，需要考慮蠕變問題。當(dāng)碳素鋼的溫度超過 300350°C、低合金鋼超過400°C、低合金鉻鉬 剛超過450°C、奧氏體不銹鋼超過550oC的情況下，考慮蠕變問題。高溫條件下鋼材許 用應(yīng)力“押”的確定是蠕變理論在規(guī)則設(shè)計中的具體應(yīng)用。 腐蝕失效。化工壓力容器的腐蝕失效是指與介質(zhì)接觸的器壁收到腐蝕性介質(zhì)的 侵蝕而產(chǎn)生破壞，它可以分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩大類。對腐蝕失效的控制實質(zhì)上就 是根據(jù)介質(zhì)特性正確地選用合適的材料及合適的防腐蝕措施。在通常情況下，均勻腐蝕的限制條件，實際上就是彈性失效準(zhǔn)則的限制條件，即在 按照最大主應(yīng)力計算出殼

37、體厚度的基礎(chǔ)上增加腐蝕余量；對于局部腐蝕，它不僅與容器 的用材有關(guān)，而且與介質(zhì)及其使用溫度、壓力、應(yīng)力水平等有關(guān)，因此，局部腐蝕失效 至今尚無統(tǒng)一的限制條件。（3）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB 1501998鋼制壓力容器中采用的是彈性失效準(zhǔn)則。具體的解題方法：用 平面力系解法，按彈性失效準(zhǔn)則來判斷容器的強度。對于因壓力引起的不同應(yīng)力狀態(tài)（拉、彎、扭、剪及其組合），均采用相同的許用應(yīng)力值，用調(diào)整計算公式中有關(guān)系數(shù) 的方法體現(xiàn)其差別，如封頭、平蓋、密封結(jié)構(gòu)等的計算。具體說，對于容器中存在的一次局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力以及他們的組 合，采用極限分析和安定性分析準(zhǔn)則將這些應(yīng)力控制在與使用經(jīng)驗相吻合的安全水平。

38、 在標(biāo)準(zhǔn)中，通過限制元件結(jié)構(gòu)的某些相關(guān)尺寸、采用應(yīng)力增大系數(shù)、考慮形狀系數(shù)等公 式將這些局部應(yīng)力控制在許用范圍內(nèi)7。所以在確定技術(shù)方案時，特別要注意標(biāo)準(zhǔn)中相 關(guān)內(nèi)容的“前提條件”、“邊界條件”。壓力容器設(shè)計有兩種方法，即規(guī)則設(shè)計法和分析設(shè)計法。前者是基于經(jīng)驗方法的設(shè) 計，其典型過程是確定設(shè)計載荷，選用設(shè)計公式、曲線和表格，并對所用材料取一個安 全應(yīng)力，最終給出容器的基本厚度，然后根據(jù)規(guī)范允許的構(gòu)造細(xì)則及有關(guān)設(shè)計規(guī)則進行 制造。GB 150 1998鋼制壓力容器為規(guī)則設(shè)計，按彈性失效準(zhǔn)則應(yīng)用解析方法進行應(yīng)力計算，從而簡化了設(shè)計計算，與 JB 47321995鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相比具有計算簡

39、單、使用方便等特點， 故得到了廣泛應(yīng)用。在GB 150 1998鋼 制壓力容器與JB 47321995鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)兩個標(biāo)準(zhǔn)的相互覆蓋適用范圍內(nèi)，可按經(jīng)濟效益對比和應(yīng)用配合考慮任選其一。JB/T 4735鋼制焊接常壓容器與 GB 150鋼制壓力容器一樣都屬于規(guī)則設(shè)計 標(biāo)準(zhǔn)。JB 4732鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基本思路與ASME 毗一2相同。GB 150、JB 4732和JB/T 4735的適用范圍和主要區(qū)別見表 29。表2 GB 150、JB 4732和JB/T 4735的適用范圍和主要區(qū)別項目GB 150JB 4732JB/T 4735設(shè)計壓力0.1MPaw Pw 35MPa，

40、真 空度不低于 0.02MPa0.1MPa w Pv 100MPa 真 空度不低于 0.02MPa0.02MPa v Pv 0.1MPa設(shè)計溫度按鋼材允許的使用溫度 確定（最高為700 °C,最 低為196 °C）低于以鋼材蠕變控制其設(shè)計應(yīng)力強度的相應(yīng)溫度（最高475°C）20 C （大于）350°C （奧氏體高合金剛 制容器和設(shè)計溫度低 于20°C，但滿足低 溫低應(yīng)力工況，且調(diào) 整后的設(shè)計溫度咼于 20°C的容器不受此 限制）對介質(zhì)的限制不限不限不適用盛裝高度毒性或極度危害介質(zhì)的容器設(shè)計準(zhǔn)則彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則和失 穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則塑性失

41、效設(shè)計準(zhǔn)則、失 穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則和疲勞 失效設(shè)計準(zhǔn)則，局部應(yīng)力 用極限分析和安定性分 析結(jié)果來評定彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則項目GB 150JB 4732JB/T 4735應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公彈性有限元法；塑性分析以材料力學(xué)、板殼理式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù);彈性理論和板殼理論公式，試驗應(yīng)力分析論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)強度理論最大主應(yīng)力理論最大切應(yīng)力理論最大主應(yīng)力理論是否適用于疲勞分析容器不適用適用，但有免除條件不適用在我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中，GB 150鋼制壓力容器是最基本的、應(yīng)用最廣泛的 標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)內(nèi)容與 ASME Vffl-1、JIS

42、B 8270 （除第1種容器除外）等先進工業(yè)化國家 的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)大致相當(dāng)，但在適用范圍、許用應(yīng)力和一些技術(shù)指標(biāo)上有所不同。下面 以ASME標(biāo)準(zhǔn)為例進行比較。 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。中國 GB 150與ASME標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍上的主要差別為壓力 限定和容器用材的限制。中國標(biāo)準(zhǔn)的壓力限定有明確的數(shù)值，所適用的材料僅為剛才； ASME則只給出一般限定，在滿足特定的要求后，可以突破壓力限制，并且除鋼材外， 也規(guī)定了有色金屬、鎳基合金、鑄鋼等材料的應(yīng)用范圍、許用應(yīng)力和制造檢驗要求等。 表3給出了兩國標(biāo)準(zhǔn)中的壓力限定值。表3中、美兩國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中壓力限定值比較（MPa）中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)ASME標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)名稱壓力

43、限定標(biāo)準(zhǔn)名稱推存壓力范圍GB 150鋼制壓力容器< 35ASM EW -1w 20JB 4732鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)v 100ASM EW -2W 70ASM EW -3> 70安全系數(shù)。許用應(yīng)力是壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中的基本參數(shù)，由材料的力學(xué)性能除以相 應(yīng)的材料設(shè)計系數(shù)來確定。GB 150中確定鋼材許用應(yīng)力時，低碳鋼和低合金鋼的屈服 強度及抗拉強度的安全系數(shù)分別為 1.6與3.0,與此相對應(yīng)，ASME毗-1中的數(shù)值為1.5 與 3. 5。2.4 壓力容器殼體形狀選擇圓筒形殼體應(yīng)力分布比較均勻，承載能力高，較球形殼體容易制造，也便于內(nèi)件的 設(shè)置和拆卸，并且藥包在載物臺上放置的部位要使爆

44、炸時殼體內(nèi)壁各處受到的沖量盡可 能相等或?qū)ΨQ，所以在這種情況下，根據(jù)我們的實際需要，本畢業(yè)設(shè)計選擇圓筒形殼體。第三章壓力容器基本參數(shù)設(shè)計3.1 壓力容器殼體材料的選擇材料是構(gòu)成各種設(shè)備的物質(zhì)基礎(chǔ)，在壓力容器設(shè)計中，能夠與強度計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計 并重唯有材料及其影響因素材料及其影響因素是設(shè)計中的難點。壓力容器生產(chǎn)的多樣性和設(shè)備的功能性，給選材帶來了一定的復(fù)雜性，材料科學(xué)所具有半科學(xué)、半經(jīng)驗性質(zhì)給 選材更增加了難度。（1）選材原則壓力容器用材的主要選擇依據(jù)：容器的適用條件，如溫度、壓力、介質(zhì)、操作特點 和結(jié)構(gòu)特點；材料力學(xué)性能；材料的耐腐蝕性能，包括選材、防腐蝕結(jié)構(gòu)、防腐蝕襯里、 腐蝕裕量、條件控制等

45、；材料的加工性能，如可焊性、冷熱加工成型性等；材料的價格 及來源；同一工程設(shè)計中用材要統(tǒng)一。針對目前壓力容器的現(xiàn)狀還應(yīng)當(dāng)注意，要盡量優(yōu) 先選用壓力容器規(guī)范推薦的材料及國內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)中已有的材料，并且盡量采用國產(chǎn)材 料。從性能方面考慮，下述原則可供參考：以剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計為主的設(shè)備，受壓容器應(yīng) 選用普通碳素鋼，以強度設(shè)計為主的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)性質(zhì)等使 用限制，依次選用 Q235 A.F、Q235 A、Q235 B、Q235 C、20R、16MnR 等鋼 板；以強度設(shè)計為主的普通碳素鋼壓力容器， 當(dāng)板厚大于或等于8mm時，可選用16MnR 等普通低合金鋼；鉻鉬低合金鋼可作為設(shè)計溫度

46、 350550）C的壓力容器耐熱鋼或大于 250oC的高溫高壓抗氫用鋼；不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性較強、防鐵離子污染或設(shè)計溫度大 于500oC的耐熱用鋼（2）材料問題的討論為能選擇合適的材料制造壓力容器，保證壓力容器安全正常地進行工作，必須首先 了解材料的基本性能10。金屬材料在一定的溫度和外力作用下，所表現(xiàn)出抵抗某種變形或破壞的能力稱為材 料的力學(xué)性能。下面首先簡單介紹下一般的力學(xué)性能。屈服強度os表現(xiàn)材料發(fā)生塑性變 形的最小應(yīng)力，反映材料抗微量塑性變形的能力?？估瓘姸萶表現(xiàn)材料在拉斷前所能承 受的最大應(yīng)力值，它表示材料抵抗斷裂的能力。伸長率 o是指試樣拉斷后的伸長量與原 長度之比，表現(xiàn)材料被拉伸

47、的程度。斷面收縮率 ？指試樣拉斷后的斷面與原截面之比， 表現(xiàn)材料被拉細(xì)的程度。沖擊韌性是指材料在受到外加沖擊載荷的作用下，斷裂時消耗 的功除以試樣缺口斷面面積而得到的商值。斷裂韌性Kic為第一類裂紋尖端應(yīng)力強度因子的臨界值，又稱為平面應(yīng)變條件下的斷裂韌性。耐腐蝕性能是材料在使用條件下抵抗腐蝕介質(zhì)侵蝕的能力。材料遭受腐蝕后，其質(zhì) 量、厚度、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)及電極過程等都都可能發(fā)生變化，其變化程度可以衡量 材料的耐腐蝕性能。對于均勻腐蝕，通常以腐蝕速率來衡量金屬材料的耐腐蝕性能。金屬良好的焊接性能要求焊縫和熱影響區(qū)的性能與母材性能基本一致，焊縫處產(chǎn)生氣孔、夾雜、裂紋等缺陷的傾向性低。鋼材的焊接性

48、能影響最大的是含碳量，含碳量增 加，塑性下降，淬硬傾向增大，容易產(chǎn)生裂紋。除焊接性能外的冷熱加工性能，常由材 料力學(xué)性能要求的力學(xué)性能塑性指標(biāo)保證。壓力容器材料的冷加工性能一般還用冷彎試 驗衡量，冷彎性能的好壞也能反映材料塑性的高低。壓力容器材料的物理性能也是選材要考慮的。壓力容器使用在不同的場合，對材料 的物理性能也有不同的要求。如高溫容器要用熔點高的材料，要進行換熱的容器要用導(dǎo) 熱系數(shù)較高的材料，如此可以節(jié)省材料。(3) 殼體材料的選擇壓力容器要承受起介質(zhì)產(chǎn)生的沖擊波的反射壓力和氣體產(chǎn)物的作用壓力，同時還要受高溫或低溫或腐蝕介質(zhì)的作用，所以殼體材料一般選擇力學(xué)性能高、抵抗介質(zhì)腐蝕能 力強的

49、。伸長率o與斷面收縮率？都是塑性指標(biāo)，相應(yīng)的數(shù)值愈大，材料的塑性愈好， 在壓力容器設(shè)計中往往要求材料有較好的塑性，不僅適應(yīng)加工制造的需要，更重要是為 了在壓力容器使用中，緩解高度集中的局部應(yīng)力，避免容器因局部應(yīng)力升高而導(dǎo)致的脆 性破裂。一般情況下，材料強度的提高總會使塑性和沖擊韌性下降，從而使制造工藝變 的復(fù)雜，脆性破壞可能性變大，而且應(yīng)力集中的負(fù)效應(yīng)在高強度材料中更加突顯。沖擊韌性高的高低，取決于材料有無迅速變形的能力。沖擊韌性高的材料，一般都 有較高的塑性，沖擊韌性時強度與塑性的綜合指標(biāo)，但塑性對韌性影響更大些。殼體材 料要承受瞬時強沖擊載荷，在這種情況下，它的力學(xué)性能與靜態(tài)時有很大的不同

50、，材料 的應(yīng)力、應(yīng)變以及應(yīng)變率的關(guān)系變得很復(fù)雜，此時設(shè)計中要考慮材料的動態(tài)屈服應(yīng)力。 下圖5給出了幾種鋼材的動態(tài)屈服應(yīng)力試驗曲線。圖5動態(tài)屈服應(yīng)力 o與應(yīng)變力&的關(guān)系動態(tài)屈服應(yīng)力o與應(yīng)變力£的關(guān)系服從如下對數(shù)關(guān)系：lg o= A + mlg £ 或o= o（/ & ）o為動態(tài)屈服點（MPa）, A為壓縮接觸面積（m2），指數(shù)m如圖所示，由試驗確 定。從上圖4可知，應(yīng)變率對純鐵、45號剛、A3（Q235A級鋼）等軟鋼特別明顯。軟鋼 有明顯的屈服點，破壞前有明顯的預(yù)兆，較大的變形。硬鋼強度高，但塑性差，脆性大, 從加載到突然拉斷，基本上不存在屈服階段。所以，我們

51、可以選擇軟鋼作為殼體材料。中高壓壓力容器大多選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼， 優(yōu)質(zhì)碳素鋼含硫、磷雜質(zhì)較少，硫w 0.040%, 磷w 0.040%,塑性好，抗冷脆性等相對質(zhì)量較好。下表 4給出了 35號和45號優(yōu)質(zhì)碳素 結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能的一些數(shù)據(jù)。表4 35號和45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能11鋼號CSiMnoo¥AkMPaMPa%J350.320.400.170.370.500.80530315204555450.420.500.170.370.500.80600355164039由上表4可知，雖然35號鋼的抗拉強度do和屈服強度os都較45號鋼的小，而延 伸率 沢斷面收縮率 屮以

52、及沖擊功Ak均大于45號鋼。所以根據(jù)以上分析選用 35號鋼 作為殼體材料較好。殼體材料不易采用鋼板卷制或焊接，因為在焊接過程中，對焊縫金屬組織會產(chǎn)生不 利影響，同時在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫極其附近區(qū)域可 能低于剛體本體的強度。所以，為了提高殼體強度，應(yīng)選用無縫結(jié)構(gòu)。綜上所述本畢業(yè) 設(shè)計選用35號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的無縫鋼管。3.2 筒體設(shè)計參數(shù)的確定根據(jù)要求，壓力容器正常工作壓力 3.0 MPa最大工作壓力5.5 MPa容積為60L,選 取無縫鋼管 325 mm,壁厚13 mm,尺寸允許偏差：外徑土 1.25%，壁厚允許偏差土 10%。圓筒形：VR2h( 3.21 )由公

53、式(3.21 )可以求出圓筒高h(yuǎn)= 723 mm根據(jù)GB 150-89規(guī)定，許用應(yīng)力d的計算公式為，o是殼體材料的抗拉強度 n或屈服強度，n是抗拉強度或屈服強度安全系數(shù)，GB 150-89規(guī)定碳素鋼抗拉強度安全系數(shù)nb取3.0,屈服強度安全系數(shù)ns取1.6。由殼體材料的抗拉強度確定的許用應(yīng)力為：b 530MPa nb 3.0176.7MPa由殼體材料的屈服強度確定的許用應(yīng)力為:s 315MPa ns 1.6196.9MPa根據(jù)GB 150-89規(guī)定，取抗拉強度和屈服強度確定的許用應(yīng)力中較小的值，故d=176.7MPa>5.5MPa。由應(yīng)力分析可知，中徑D，壁厚為S的圓筒形殼體，承受均勻介

54、質(zhì)內(nèi)壓 p時，其器壁中產(chǎn)生如下徑向和周向薄膜應(yīng)力12:PD2St(3.22 )式中F為鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，單位為 MPa, 為焊接接頭系數(shù)，由于在焊 接加熱過程中，對焊縫金屬組織產(chǎn)生不利影響，同時在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未 焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強度可能低于鋼材本體的強度。因此，在上式（3.22 ）中鋼材的許用應(yīng)力應(yīng)該用強度較低的焊縫許用應(yīng)力代替，焊接接頭系數(shù) < 1由于本畢業(yè)設(shè)計選擇的是無縫鋼管作為殼體材料，所以此處取1內(nèi)壓圓筒計算厚度S的求解公式如下：S=（3.23）2t P設(shè)計時，應(yīng)以計算壓力代替式（3.23 ）中的p,即：S=p£D（3.24）2

55、tPc式中Pc為計算壓力MPa, Di為圓筒內(nèi)直徑mm,采用無縫鋼管做筒體時，公稱直徑是其外直徑Do,而Di=Do-2S，代入式（3.24 ）可得:S=pc D o2 tPc(3.25 )其中最大工作壓力為 5.5MPa, J則取pc =1.1 x 5.5MPa=6.05MPa,查表得35鋼的屈服t為105MPa,所以可求強度為315MPa,取安全系數(shù)為3,可求得35鋼的許用應(yīng)力得:冋亠*林*、丄咎*啟萃育6.05 MPa 325mm圓筒冗體計算壁厚：S=9.2mm2 105MPa 6.05MPa）滿足皿2S將圓筒殼體計算壁厚S代入式（3.22t圓筒殼體設(shè)計壁厚計算公式:Sd圓筒殼體名義壁厚計算公式:SnSdG 圓整量圓筒殼體有效壁厚計算公式:SeSn其中C2為腐蝕裕量，mm； G為鋼管或鋼板厚度負(fù)偏差,mm； C為壁厚附加量,mm,壁厚附加量可按下式計算:C1C2鋼管厚度負(fù)偏差Ci和腐蝕裕量C2分別如下表5和表610所示。表5鋼管厚度負(fù)偏差C1鋼管種類壁厚（mm）負(fù)偏差（%）碳素鋼或< 2015低合金鋼> 2012.5不銹鋼< 1015> 10 2020表6腐蝕裕量C2介質(zhì)腐蝕速率（mm/y）腐蝕裕量C2單面腐蝕雙面腐蝕< 0.05120.05 0.11224> 0.1C2K B根據(jù)本畢業(yè)設(shè)計的實際情況，選取