3章內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力ppt課件

1、1第三章第三章 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3.1 回轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力分析回轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力分析 薄膜理論簡介薄膜理論簡介3.1.1 薄壁容器及其應(yīng)力特點(diǎn)薄壁容器及其應(yīng)力特點(diǎn) 化工容器和化工設(shè)備的外化工容器和化工設(shè)備的外殼，一般都屬于薄壁回轉(zhuǎn)殼殼，一般都屬于薄壁回轉(zhuǎn)殼體：體： S / Di 0.1 或或 D0 / Di 1.2 在介質(zhì)壓力作用下殼體在介質(zhì)壓力作用下殼體壁內(nèi)存在環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)軸壁內(nèi)存在環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)軸向應(yīng)力。向應(yīng)力。 12122薄膜理論與有矩理論概念：薄膜理論與有矩理論概念：計(jì)算殼壁應(yīng)力有如下理論：計(jì)算殼壁應(yīng)力有如下理論：（1 1無矩理論，即薄膜理論。無矩理論，即薄膜理論。

2、假定殼壁如同薄膜一樣，只承假定殼壁如同薄膜一樣，只承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，完全不能承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，完全不能承受彎矩和彎曲應(yīng)力。殼壁內(nèi)的應(yīng)受彎矩和彎曲應(yīng)力。殼壁內(nèi)的應(yīng)力即為薄膜應(yīng)力。力即為薄膜應(yīng)力。3（2 2有矩理論。殼壁內(nèi)存在除拉應(yīng)力或壓有矩理論。殼壁內(nèi)存在除拉應(yīng)力或壓應(yīng)力外，還存在彎曲應(yīng)力。應(yīng)力外，還存在彎曲應(yīng)力。 在工程實(shí)際中，理想的薄壁殼體是不在工程實(shí)際中，理想的薄壁殼體是不存在的，因?yàn)榧词箽け诤鼙。瑲んw中還存在的，因?yàn)榧词箽け诤鼙?，殼體中還會(huì)或多或少地存在一些彎曲應(yīng)力，所以會(huì)或多或少地存在一些彎曲應(yīng)力，所以無矩理論有其近似性和局限性。由于彎無矩理論有其近似性和局限性。由于彎曲應(yīng)力一般很

3、小，如略去不計(jì)，其誤差曲應(yīng)力一般很小，如略去不計(jì)，其誤差仍在工程計(jì)算的允許范圍內(nèi)，而計(jì)算方仍在工程計(jì)算的允許范圍內(nèi)，而計(jì)算方法大大簡化，所以工程計(jì)算中常采用無法大大簡化，所以工程計(jì)算中常采用無矩理論。矩理論。43.1.2 基本概念與基本假設(shè)基本概念與基本假設(shè)1. 基本概念回轉(zhuǎn)殼體由直線或平面曲線繞其同平面內(nèi)的固定軸旋轉(zhuǎn)3600而成的殼體。5幾個(gè)典型回轉(zhuǎn)殼體6軸對(duì)稱指殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸。與殼體內(nèi)外表面等距離的曲面 母線：母線：7 法線：法線：經(jīng)線：經(jīng)線：緯線緯線( (平形圓平形圓) )：892.基本假設(shè)：基本假設(shè)：（1小位移假設(shè)。殼體受壓變形，各點(diǎn)位移都小于壁厚。簡

4、化計(jì)算。（2直法線假設(shè)。沿厚度各點(diǎn)法向位移均相同，即厚度不變。（3不擠壓假設(shè)。沿壁厚各層纖維互不擠壓，即法向應(yīng)力為零。103.1.3 經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算區(qū)域平衡方程區(qū)域平衡方程11經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算公式：經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算公式：SpR22m(MPa)式中sm-經(jīng)向應(yīng)力； p-介質(zhì)內(nèi)壓，（MPa）； R2-第二曲率半徑，（mm)； S-殼體壁厚，（mm）。123.1.4 環(huán)向應(yīng)力計(jì)算微體平衡方程13環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式 微體平衡方程微體平衡方程SpRRm21.式中 sm-經(jīng)向應(yīng)力MPa); sq-環(huán)向應(yīng)力MPa）； R1-第一曲率半徑mm）； R2-第二曲率半徑mm）； p-介質(zhì)壓力MPa

5、）； S-殼體壁厚mm)。143.1.5薄膜理論的應(yīng)用范圍薄膜理論的應(yīng)用范圍1.材料是均勻的，各向同性的。 厚度無突變，材料物理性能相同；2.軸對(duì)稱幾何軸對(duì)稱，材料軸對(duì)稱，載荷軸對(duì)稱，支撐軸對(duì)稱；3.連續(xù)幾何連續(xù)，載荷支撐分布連續(xù)，材料連續(xù)。4.殼體邊界力在殼體曲面的切平面內(nèi)。 無橫向剪力和彎距作用，自由支撐等；15 典型殼體受氣體內(nèi)壓時(shí)存在的應(yīng)力：圓錐殼體圓柱殼體163.2 薄膜理論的應(yīng)用薄膜理論的應(yīng)用3.2.1.受氣體內(nèi)壓的圓筒形殼體受氣體內(nèi)壓的圓筒形殼體式中R2=D/2 那么 SpDm4 2.環(huán)向應(yīng)力：由SpRRm21.式中 p,S 為已知，而R1= , 帶入上式，解得 ！圓筒體上任一點(diǎn)

6、處，m21.經(jīng)向應(yīng)力 ： SpR22mSpD2圓柱殼壁內(nèi)應(yīng)力分布(A)(B)(C) 實(shí)例實(shí)例圓柱殼應(yīng)力分布結(jié)論圓柱殼應(yīng)力分布結(jié)論1、 =2 m 圓柱殼的縱向截面是薄弱截面。圓柱殼的縱向截面是薄弱截面。2、圓柱殼的承壓能力取決于厚徑比、圓柱殼的承壓能力取決于厚徑比S/D），并非厚度越大承壓能力越好。），并非厚度越大承壓能力越好。223.2.2.受氣體內(nèi)壓的球形殼體受氣體內(nèi)壓的球形殼體用場(chǎng)：球形容器，半球形封頭，無折邊球形封頭等。2325條件相同時(shí)，球殼內(nèi)應(yīng)力與圓筒形殼條件相同時(shí)，球殼內(nèi)應(yīng)力與圓筒形殼體的經(jīng)向應(yīng)力相同，為圓筒殼內(nèi)環(huán)向應(yīng)體的經(jīng)向應(yīng)力相同，為圓筒殼內(nèi)環(huán)向應(yīng)力的一半。力的一半。球殼的 R

7、1 = R2 ,那么 SpDm4球殼應(yīng)力分布結(jié)論球殼應(yīng)力分布結(jié)論1、球殼各點(diǎn)、球殼各點(diǎn)= m 說明球殼的薄膜應(yīng)力分布十分均勻。說明球殼的薄膜應(yīng)力分布十分均勻。2、在載荷和幾何條件相同的情況下，球、在載荷和幾何條件相同的情況下，球殼的最大應(yīng)力只是圓柱殼的一半，故球殼的最大應(yīng)力只是圓柱殼的一半，故球殼的承壓能力比圓柱殼好。殼的承壓能力比圓柱殼好。273.2.3 受氣體內(nèi)壓的橢球殼受氣體內(nèi)壓的橢球殼用場(chǎng)：橢圓形封頭。成型：1/4橢圓線繞同平面Y軸旋轉(zhuǎn)而成。（橢球殼）（橢球殼）2912222byax橢球殼的長半軸a 短半軸b橢球殼頂點(diǎn)坐標(biāo)：（0,b） 邊緣坐標(biāo)：(a,0)212224223222441

8、)(1)(1baxabRbaxabaR30橢球殼應(yīng)力計(jì)算公式：)(2 )(2)(22224422242224baxaabaxaSbpbaxaSbpm應(yīng)力分布分析：x=0 ,即橢球殼的頂點(diǎn)處)(2baSpamx=a, 即橢球殼的邊緣處即橢球殼的邊緣處,)2(2222baSpaSpamsm是常量，是常量，sq 是是a/b的函數(shù)。即受橢球殼的的函數(shù)。即受橢球殼的結(jié)構(gòu)影響。結(jié)構(gòu)影響。兩向應(yīng)力相等，均為拉應(yīng)力。兩向應(yīng)力相等，均為拉應(yīng)力。31標(biāo)準(zhǔn)橢球殼的應(yīng)力分布標(biāo)準(zhǔn)橢球殼的應(yīng)力分布標(biāo)準(zhǔn)橢球殼指標(biāo)準(zhǔn)橢球殼指 a / b = 21.橢球殼的橢球殼的幾何是否連幾何是否連續(xù)？續(xù)？2.環(huán)向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力在橢球殼與在橢

9、球殼與圓筒殼連接圓筒殼連接點(diǎn)處有突變，點(diǎn)處有突變，為什麼？為什麼？橢球殼應(yīng)力分布幾點(diǎn)結(jié)論橢球殼應(yīng)力分布幾點(diǎn)結(jié)論1、橢球殼上各點(diǎn)應(yīng)力大小與點(diǎn)的坐標(biāo)、橢球殼上各點(diǎn)應(yīng)力大小與點(diǎn)的坐標(biāo)x，y有關(guān)有關(guān)2、橢球殼上各點(diǎn)應(yīng)力大小及分布狀況、橢球殼上各點(diǎn)應(yīng)力大小及分布狀況與與a/b有關(guān)有關(guān)3、m恒為正，最大值在頂點(diǎn)，最小值在赤道。恒為正，最大值在頂點(diǎn)，最小值在赤道。 在頂點(diǎn)恒為正，在赤道有大于零、等于零、在頂點(diǎn)恒為正，在赤道有大于零、等于零、小于零三種情況。小于零三種情況。333.2.4 受氣體內(nèi)壓的錐形殼體受氣體內(nèi)壓的錐形殼體.用場(chǎng)：容器的錐底封頭，塔體之間的變徑段，儲(chǔ)槽頂蓋等。35.應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力計(jì)算錐殼上

10、任一點(diǎn)A處的應(yīng)力計(jì)算公式：R1= R2= r/cosa式中r-A點(diǎn)的平行圓半徑; -半錐角， S-錐殼壁厚。 由薄膜理論公式得 應(yīng)力大小與應(yīng)力大小與 r 成正比，最大成正比，最大 r 為為D/2,則最大應(yīng)力為：則最大應(yīng)力為：cos1cos12SprSprmcos12cos14SpDSpDm36.錐殼的應(yīng)力分布錐殼的應(yīng)力分布1.圓筒殼與錐殼連圓筒殼與錐殼連接處應(yīng)力突變，為接處應(yīng)力突變，為什麼？從結(jié)構(gòu)上如什麼？從結(jié)構(gòu)上如何解決？何解決？2.半錐角越大，錐半錐角越大，錐殼上的最高應(yīng)力如殼上的最高應(yīng)力如何變化？何變化？3.在錐殼上那個(gè)位在錐殼上那個(gè)位置開孔，強(qiáng)度削弱置開孔，強(qiáng)度削弱最??？最?。繄A錐殼應(yīng)

11、力分布結(jié)論圓錐殼應(yīng)力分布結(jié)論1、圓錐殼兩向應(yīng)力均與、圓錐殼兩向應(yīng)力均與x成線性關(guān)系，成線性關(guān)系，離錐頂越遠(yuǎn)，應(yīng)力越大。離錐頂越遠(yuǎn)，應(yīng)力越大。2、圓錐殼兩向應(yīng)力隨、圓錐殼兩向應(yīng)力隨的增大而增大，的增大而增大，故錐殼的半頂角不宜過大。故錐殼的半頂角不宜過大。38 3.2.5受氣體內(nèi)壓的碟形殼受氣體內(nèi)壓的碟形殼.碟形殼的形成：母線abc=半徑為R的圓弧ab + 半徑為r1的圓弧bc碟形殼的構(gòu)成： 半徑為R的球殼 +半徑為r1的褶邊3940sin2112rDrR.幾何特征a. 母線abc是不連續(xù)的，即R1不連續(xù)，在 b點(diǎn)發(fā)生突變： 球殼部分R1= R; 褶邊部分R1= r1 。b. R2是連續(xù)的變量。

12、 球殼部分 R2= R； 摺邊部分41 碟形殼的應(yīng)力分布碟形殼的應(yīng)力分布 1.b 1.b點(diǎn)和點(diǎn)和c c點(diǎn)的點(diǎn)的R1,R2R1,R2如何變化？如何變化？ 2. 2.碟形殼與圓筒殼連接點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)如何？碟形殼與圓筒殼連接點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)如何？423.3 內(nèi)壓容器邊緣應(yīng)力簡介內(nèi)壓容器邊緣應(yīng)力簡介3.3.1 邊緣應(yīng)力概念邊緣應(yīng)力概念壓力容器邊緣壓力容器邊緣指指“不連續(xù)處不連續(xù)處”，主要是幾何不連續(xù)及載荷支撐，主要是幾何不連續(xù)及載荷支撐不連續(xù)處，以及溫度不連續(xù)，材料不連續(xù)等處。不連續(xù)處，以及溫度不連續(xù)，材料不連續(xù)等處。例如：幾何不連續(xù)處：例如：幾何不連續(xù)處：幾何不連續(xù)氣體內(nèi)壓作用 P支撐不連續(xù)43溫度不連續(xù)

13、：材料不連續(xù)： 在不連續(xù)點(diǎn)處，由于介質(zhì)壓力及溫度作在不連續(xù)點(diǎn)處，由于介質(zhì)壓力及溫度作用，除了產(chǎn)生薄膜應(yīng)力外，還發(fā)生變形協(xié)調(diào)，用，除了產(chǎn)生薄膜應(yīng)力外，還發(fā)生變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)致了附加內(nèi)力的產(chǎn)生。導(dǎo)致了附加內(nèi)力的產(chǎn)生。44變形協(xié)調(diào)自由變形邊緣處產(chǎn)生附加內(nèi)力： M0附加彎矩； Q0附加剪力。邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生4546 3.3.2 邊緣應(yīng)力特點(diǎn)邊緣應(yīng)力特點(diǎn)（1）.局部性只產(chǎn)生在一局部區(qū)域內(nèi)，邊緣應(yīng)力衰減很快。見如下測(cè)試結(jié)果：圓筒壁厚。圓筒半徑；式中衰減長度大約為：-s -r5 . 2rsl 二、電阻應(yīng)變法測(cè)量應(yīng)力的基本原理二、電阻應(yīng)變法測(cè)量應(yīng)力的基本原理（一電阻應(yīng)變片（一電阻應(yīng)變片 （二箔式應(yīng)變片

14、（二箔式應(yīng)變片 2、導(dǎo)線的連接、導(dǎo)線的連接與固定與固定3、應(yīng)變測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量1234567圖1-1 薄壁容器應(yīng)力測(cè)試裝置1排氣閥；2壓力表；3薄壁容器 4壓力表；5試壓泵；6進(jìn)水閥；7放水閥 測(cè)點(diǎn)選擇和布片方案的確定測(cè)點(diǎn)選擇和布片方案的確定 工作片、補(bǔ)償片和預(yù)調(diào)平衡箱、電阻工作片、補(bǔ)償片和預(yù)調(diào)平衡箱、電阻應(yīng)變儀的連接。應(yīng)變儀的連接。 容器內(nèi)氣體的排除容器內(nèi)氣體的排除 預(yù)加載和卸載預(yù)加載和卸載 預(yù)調(diào)平衡、應(yīng)變測(cè)量。預(yù)調(diào)平衡、應(yīng)變測(cè)量。 系統(tǒng)卸載，關(guān)閉電機(jī)和測(cè)量儀器。系統(tǒng)卸載，關(guān)閉電機(jī)和測(cè)量儀器。應(yīng)變測(cè)量步驟應(yīng)變測(cè)量步驟59（2）.自限性 邊緣應(yīng)力是由于不連續(xù)點(diǎn)的兩側(cè)產(chǎn)生相互約束而出現(xiàn)的附加應(yīng)力。 當(dāng)邊緣處的附加應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限時(shí)，相互約束便緩解了，不會(huì)無限制地增大。603.3.3 對(duì)邊緣應(yīng)力的處理對(duì)邊緣應(yīng)力的處理1.利用局部性特點(diǎn)局部處理。如：改變邊緣結(jié)構(gòu)，邊緣局部加強(qiáng)，筒體