安全氣囊壓力發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、目錄第一章 緒論11.1 問(wèn)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(cè)試國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.3 汽車安全氣囊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理21.4 測(cè)試裝置及原理41.5 本論文所要進(jìn)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(jì)52.1 壓力容器的分類462.2 壓力容器的結(jié)構(gòu)72.3 壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則82.4 壓力容器殼體形狀選擇17第三章 壓力容器基本參數(shù)設(shè)計(jì)173.1 壓力容器殼體材料的選擇173.2 筒體設(shè)計(jì)參數(shù)的確定203.3 壓力容器封頭設(shè)計(jì)233.4 封頭與圓筒的連接設(shè)計(jì)293.5 壓力容器底部設(shè)計(jì)303.6 密封圈的選擇31第四章 壓力容器與測(cè)試裝置接口設(shè)計(jì)31第五章 開(kāi)

2、孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)315.1 開(kāi)孔的形狀325.2 開(kāi)孔后的補(bǔ)強(qiáng)325.3 等截面積補(bǔ)強(qiáng)法33總結(jié)36參考文獻(xiàn)37致謝39第一章 緒論1.1 問(wèn)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(lái)越快，特別是由于汽車擁有量的迅速增加，交通越來(lái)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(gè)全新的高科技產(chǎn)業(yè)。因此,安全氣囊的研究與發(fā)展對(duì)中國(guó)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(guó)加入 WTO 之后，這種意義將更加深刻。目前，我國(guó)安全氣囊的研究與發(fā)展已初具基礎(chǔ)和規(guī)模，但是離世界

3、先進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、安全氣囊的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試等方面。在測(cè)試方面、傳感器、氣體發(fā)生器和氣囊技術(shù)規(guī)范及檢測(cè)還未達(dá)到一個(gè)令人滿意的狀態(tài)。據(jù)資料表明，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一套完整的安全氣囊性能測(cè)試系統(tǒng)，我國(guó)生產(chǎn)的安全氣囊一般要到國(guó)外進(jìn)行測(cè)試。這樣提高的費(fèi)用，削弱了我國(guó)的安全氣囊在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)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(jì)一套安全氣囊性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)汽車工業(yè)具有重要意義1。1.2 汽車安全氣囊及其性能測(cè)試國(guó)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(guó)。1952 年 ,美國(guó)汽車生產(chǎn)者聯(lián)合會(huì)在理論上闡述了這樣一種

4、汽車安全系統(tǒng)的必要性,1953 年8 月18日,J.W.HETRICK取得了第一個(gè)美國(guó)安全氣囊的專利權(quán),但是,當(dāng)時(shí)由于技術(shù)水平的限制,還不能把這種想法或?qū)＠吨T實(shí)現(xiàn), 直至 1984 年，汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS208）在美國(guó)經(jīng)多次被廢除后又重新被認(rèn)可并開(kāi)始實(shí)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(shí)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(guó)家都有要求在新車上必須安裝氣囊。例如在美國(guó)，相應(yīng)的法規(guī)已從1989年起實(shí)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)為最好的方案

5、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?，F(xiàn)在，在汽車上，一個(gè)氣囊安裝在駕駛盤(pán)上，一個(gè)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(shí)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(lái)快速?gòu)臍饽抑信懦鰵怏w。這點(diǎn)十分重要的，否則，人就會(huì)被氣囊推向后面或被一個(gè)氣囊或幾個(gè)氣囊擠住而受傷。為避免氣囊因長(zhǎng)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)到15年。在 20 世紀(jì)

6、 80 年代末，我國(guó)一批從事汽車碰撞安全和軍工研究的專家與學(xué)者開(kāi)始關(guān)注汽車安全氣囊的研究與發(fā)展 。1992年9月，我國(guó)自行設(shè)計(jì)與研制的FS-01型安全氣囊，通過(guò)了撞車實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)定型。在“九五” 規(guī)劃和“十五”規(guī)劃中，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委和汽車行業(yè)將安全氣囊列為我國(guó)汽車零配件三個(gè)重大發(fā)明之一（電子噴油系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)）。在十多年的研究與發(fā)展過(guò)程中，國(guó)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(guó)際水平2。例如清華大學(xué)的黃世霖等人在汽車碰撞實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)的研究了多種國(guó)產(chǎn)汽車中安全氣囊的匹配技術(shù)，對(duì)汽車安全氣囊的點(diǎn)火控制模擬、汽車碰撞的過(guò)程模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及有關(guān)軟

7、件在汽車安全氣囊系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)方面具有雄厚的基礎(chǔ)，他們的機(jī)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(guó)外著名公司邀請(qǐng)?jiān)诘聡?guó)做過(guò)數(shù)次評(píng)估，得到極大關(guān)注。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)安全氣囊性能測(cè)試系統(tǒng)方面的研究比較少3，尚沒(méi)有一套完整的測(cè)試系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)僅航天系統(tǒng)某所對(duì)汽車安全氣囊性能能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)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(cè)試裝置系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)尚屬空白 。我國(guó)生產(chǎn)的安全氣囊性能大部分要到國(guó)外測(cè)試，例如，錦恒汽車安全系統(tǒng)公司生產(chǎn)的SR40 安全氣囊在國(guó)內(nèi)無(wú)法測(cè)試需要到國(guó)外進(jìn)行匹配裝置實(shí)驗(yàn)。隨著

8、我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，安全氣囊及測(cè)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(shí)產(chǎn)權(quán)才是安全氣囊發(fā)展的立足之本。國(guó)外對(duì)汽車安全氣囊性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)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(jī)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(cè)、判斷汽車發(fā)生碰撞后的撞擊信號(hào)，以便決定是否展開(kāi)緩沖氣囊。碰撞傳感器主要有三種類機(jī)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(lái)觸發(fā)氣體發(fā)生器。機(jī)械式在加速度較低時(shí)保證不啟

9、動(dòng)氣囊，可靠性較高；但只能單點(diǎn)傳感，對(duì)機(jī)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(hào)來(lái)反映車身減速度，而后根據(jù)電信號(hào)來(lái)判別是否展開(kāi)緩沖氣囊。  機(jī)電式傳感器采用機(jī)電結(jié)合的方式，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，再利用電子信號(hào)點(diǎn)爆安全氣囊。即具有機(jī)械式的優(yōu)點(diǎn)，又能克服機(jī)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(hào)，而且能夠在同一位置安裝多個(gè)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(guò)硫化處理，可減少氣囊沖氣膨脹時(shí)的慣性力；為使

10、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(hù)效果的重要因素，必須根據(jù)不同汽車的實(shí)際情況來(lái)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(shí)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(duì)人體無(wú)害，且不能溫度太高，同時(shí)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(jì)算機(jī)中。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時(shí)，電控裝置接收多個(gè)傳感器傳來(lái)的車身不同位置的減速信號(hào)，經(jīng)過(guò)反復(fù)不斷的分析、比較、

11、計(jì)算，決定是否發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)。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(diǎn)火時(shí)刻也必須精確控制。   雖然安全氣囊在結(jié)構(gòu)上會(huì)有所不同，但其工作原理基本一致。汽車行駛過(guò)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(duì)這些信息加以分析判斷，如果所測(cè)的加速度、速度變化量或其它指標(biāo)超過(guò)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(diǎn)火命令或傳感器直接控制點(diǎn)火，點(diǎn)火后發(fā)生爆炸反應(yīng)，產(chǎn)生N2或?qū)?chǔ)氣罐中壓縮氫氣釋放出來(lái)充滿碰撞氣袋。乘員與氣袋接觸時(shí)，通過(guò)氣袋上排氣孔的阻尼吸收碰撞能量，達(dá)到保護(hù)乘員的目的。  安全氣囊

12、根據(jù)安裝的位置及保護(hù)對(duì)象不同，主要分為：對(duì)駕駛員進(jìn)行保護(hù)的氣囊，裝在方向盤(pán)內(nèi)，防止駕駛員與轉(zhuǎn)向盤(pán)、儀表板及前擋風(fēng)玻璃發(fā)生碰撞；對(duì)前排乘員進(jìn)行保護(hù)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(duì)后排乘員進(jìn)行保護(hù)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(jí)轎車上使用。安全氣囊對(duì)人體保護(hù)工作原理如圖1。圖1 安全氣囊工作基本原理1.4 測(cè)試裝置及原理氣體發(fā)生器的產(chǎn)氣性能好壞是通過(guò)進(jìn)行密閉充氣筒內(nèi)的壓力測(cè)試來(lái)檢測(cè)的, 通過(guò)對(duì)壓力的檢測(cè)可以對(duì)氣體發(fā)生劑的燃燒速度和氣體生成量進(jìn)行判定。對(duì)壓力的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

13、是在常溫和低溫情形下進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的氣體發(fā)生器為機(jī)械式氣體發(fā)生器, 其設(shè)計(jì)和制造是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)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(guò)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(shí)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(shí)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(tái)架系統(tǒng)、密閉充氣筒及其電磁控制機(jī)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。臺(tái)架系統(tǒng)由底座、導(dǎo)軌、充氣筒提升架3 個(gè)部分組成, 充氣

14、筒的提升、釋放及高度控制通過(guò)有關(guān)的電磁控制機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用充氣筒從一定高度沿導(dǎo)軌下落后與臺(tái)架底座上的彈性緩沖墊發(fā)生碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車碰撞過(guò)程的模擬, 而充氣筒從一定高度下落時(shí)產(chǎn)生的具有一定強(qiáng)度90 ± 10 g 和持續(xù)時(shí)間為10 ± 5ms 的沖擊信號(hào)時(shí)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(duì)氣體發(fā)生器產(chǎn)氣后的整個(gè)壓力變化過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)驗(yàn)裝置示意圖測(cè)試原理簡(jiǎn)述如下:電磁控

15、制機(jī)構(gòu)將充氣筒提升至一定的高度并釋放,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(jìn)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(shí)間10±5ms的閾值要求時(shí),該碰撞過(guò)程就會(huì)引爆裝在筒內(nèi)的氣體發(fā)生器,氣體發(fā)生器將被點(diǎn)火信號(hào)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(guò)安裝在筒內(nèi)的壓力傳感器5對(duì)充氣筒內(nèi)壓力變化過(guò)程進(jìn)行記錄,通過(guò)安裝在藥盒內(nèi)的壓力傳感器7對(duì)藥盒內(nèi)壓力變化過(guò)程進(jìn)行記錄,記錄下的信號(hào)通過(guò)信號(hào)適配器轉(zhuǎn)換并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后,充氣筒內(nèi)以及藥盒內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的p - t曲線將被記錄下來(lái),

16、通過(guò)p - t曲線可以得到從撞擊開(kāi)始到壓強(qiáng)達(dá)到最大值的時(shí)間、壓強(qiáng)上升速率等有關(guān)參數(shù)值,從而對(duì)氣體發(fā)生器的產(chǎn)氣性能及質(zhì)量進(jìn)行研究。數(shù)據(jù)處理方面,本系統(tǒng)具備各參數(shù)同時(shí)顯示、及時(shí)分析、隨時(shí)打印、自動(dòng)存盤(pán)等優(yōu)點(diǎn)22。1.5 本論文所要進(jìn)行的工作安全氣囊壓力發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，筒體設(shè)計(jì)基本參數(shù)設(shè)計(jì)、端蓋基本參數(shù)設(shè)計(jì)、壓力容器與測(cè)試裝置接口設(shè)計(jì)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(jì)2.1 壓力容器的分類4（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(yùn)容器。（2） 按容器承受的介質(zhì)壓力來(lái)分a.常壓容器對(duì)于圓筒形容器，-0.02MPap<0.1MPa。b.受壓容器 外壓容器 容器外部壓

17、力大于內(nèi)部壓力。 內(nèi)壓容器 低壓容器（代號(hào)L）：0.1MPap<1.61MPa；中壓容器（代號(hào)M）：1.61MPap<101MPa；高壓容器（代號(hào)H）：101MPap<1001MPa；超高壓容器（代號(hào)U）：p1001MPa。（3） 按容器壁厚分根據(jù)容器外徑Do和內(nèi)徑Di的比值K（K=Do/Di）將容器分為薄壁容器（K1.2）和厚壁容器（K>1.2）。（4） 壓力容器的綜合分類國(guó)家勞動(dòng)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(guò)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)程將容器分為三類：一類容器：低壓

18、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pV0.2MPa·m3的低壓容器； 易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)且pV0.5MPa·m3的中壓反應(yīng)容器和pV10MPa·m3的中壓儲(chǔ)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)形式是多種多樣的，它

19、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(jiàn)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(tái) 3-頂部操作平臺(tái) 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(guò)程的壓力容器，其殼體內(nèi)部還裝

20、有工藝所要求的內(nèi)件。對(duì)此，本畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)準(zhǔn)則（1） 應(yīng)力分類ASME2規(guī)范要求進(jìn)行精確的彈性應(yīng)力分析，把應(yīng)力分析報(bào)告作為設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，所以，把這種設(shè)計(jì)方法稱為“分析設(shè)計(jì)”，而把傳統(tǒng)規(guī)范進(jìn)行的設(shè)計(jì)稱為“規(guī)則設(shè)計(jì)”或“常規(guī)設(shè)計(jì)”。分析設(shè)計(jì)認(rèn)為：有彈性計(jì)算求得的各類應(yīng)力對(duì)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(xiǎn)性也不同。通過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)價(jià)，給出設(shè)計(jì)依據(jù)，必要時(shí)，還要進(jìn)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?cái)嗝?/p>

21、均勻分布的均布應(yīng)力，如薄膜應(yīng)力，沿?cái)嗝婢€性分布的線性應(yīng)力，如彎曲應(yīng)力，沿?cái)嗝娣蔷€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(jìn)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(duì)選擇恰當(dāng)?shù)脑S用應(yīng)力沒(méi)有影響，就不必再細(xì)分了。對(duì)于設(shè)計(jì)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5。或者平衡外部機(jī)械載荷所必須的應(yīng)力。其特點(diǎn)有兩個(gè)：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)力沿壁厚方向均勻分布

22、。一次應(yīng)力又可分為以下三類：一次總體薄膜應(yīng)力（general primary membrane stress）Pm。影響范圍遍及整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄膜應(yīng)力6，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6。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(jī)械載荷所需的沿截面厚度方向線性分布的彎曲應(yīng)力6，如，平蓋上壓力引起的彎曲應(yīng)力。二次應(yīng)力（second

23、ary 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(diǎn)也有兩個(gè)：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(huì)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(shí)有自限性和局部性，整體不變形，但往往是引起疲勞和脆性斷裂的根源。在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，需要

24、對(duì)峰值應(yīng)力加以限制?？刂埔淮螒?yīng)力極限是為了防止過(guò)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(guò)分的彈性變形和增長(zhǎng)性破壞塑性不安定；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。7應(yīng)力分類與容器的破壞形式往往存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，如：薄膜應(yīng)力對(duì)應(yīng)容器開(kāi)裂；彎曲應(yīng)力對(duì)應(yīng)容器變形；二次應(yīng)力對(duì)應(yīng)容器的安定性問(wèn)題；峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)容器的疲勞開(kāi)裂。 一次應(yīng)力中的總體薄膜應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度小于或等于許用應(yīng)力，即（Pm）。 一次應(yīng)力中的局部薄膜應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度1.5，即PL1.5（在規(guī)定設(shè)計(jì)中，= s1.6，再分析設(shè)計(jì)中= s1.5）。 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

25、應(yīng)力強(qiáng)度1.5，即Pm（PL）Pb1.5。 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(qiáng)度3，即Pm（PL）PbQ3（在規(guī)則設(shè)計(jì)中，= s3.0，在分析設(shè)計(jì)中= b2.6）。 一次應(yīng)力與二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力之和的應(yīng)力強(qiáng)度不能超過(guò)由疲勞曲線所確定的許用應(yīng)力，即Pm（PL）PbQFSa8。壓力容器典型零部件中的應(yīng)力分類見(jiàn)表1。表1 壓力容器典型零部件中的應(yīng)力分類零部件名稱應(yīng)力位置引起其應(yīng)力的原因應(yīng)力分類符號(hào)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軸向溫度梯度薄膜應(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)壓局部薄膜應(yīng)力一

26、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(gè)容器的任何截面外部載荷或力矩，或內(nèi)壓沿整個(gè)截面平均的總體薄膜應(yīng)力，垂直于橫截面總體薄膜應(yīng)力Pm外部載荷或力矩沿整個(gè)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(kāi)孔的附近外部載荷或力矩，或內(nèi)壓局部薄膜應(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溫差薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力二次應(yīng)力Q凸形封頭或錐形封頭頂部?jī)?nèi)壓總體薄膜應(yīng)力一次彎曲應(yīng)力PmPb過(guò)渡區(qū)域與殼體連接處內(nèi)壓局部薄膜應(yīng)力一次應(yīng)力彎曲應(yīng)力二次應(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)壓局部薄膜應(yīng)力一次應(yīng)力彎

27、曲應(yīng)力二次應(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)壓或外部載荷或力矩外部載荷或力矩總體薄膜應(yīng)力（沿截面平均）沿接管截面的彎曲應(yīng)力總體薄膜應(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PmPLQF膨脹差薄膜應(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薄膜應(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

28、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(jì)準(zhǔn)則壓力容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與失效準(zhǔn)則是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，采用何種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是采用何種失效準(zhǔn)則的問(wèn)題。設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，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(qiáng)度理論和計(jì)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，失效的最終表現(xiàn)形式為泄露、過(guò)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(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏時(shí)效。壓力容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則通常有下列幾種5,8。 彈性失效準(zhǔn)則。按照彈性強(qiáng)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(shí)，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?？?/p>

29、慮安全系數(shù)后，容器實(shí)際應(yīng)力處在彈性范圍內(nèi)。GB 150對(duì)內(nèi)壓圓筒、內(nèi)壓凸形封頭等原件的設(shè)計(jì)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(diǎn)達(dá)到屈服時(shí)，并不會(huì)導(dǎo)致容器的失效。只有當(dāng)整體屈服時(shí)，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，可得彎曲壓力的強(qiáng)度校核條件達(dá)1.5t。對(duì)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)s再繼續(xù)增加外載荷時(shí)，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(jì)中引入塑性失效準(zhǔn)則這一點(diǎn)考慮，選材時(shí)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 47321995鋼制壓力容器分

30、析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供了以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。GB 150對(duì)平板、對(duì)整體法蘭（包括按整體法蘭設(shè)計(jì)的任意式法蘭）連接的圓筒（或接管）頸部等原件的設(shè)計(jì)或應(yīng)力計(jì)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(guò)程。按照應(yīng)力分類的概念，當(dāng)容器邊緣地區(qū)出現(xiàn)一定量的局部塑性變形時(shí)，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(guò)大的塑性變形時(shí)，將會(huì)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 47321995鋼制壓

31、力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供了以彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。GB 150對(duì)內(nèi)壓錐形和封頭和圓筒的連接、無(wú)折邊球形封頭對(duì)圓筒的連接等件的設(shè)計(jì)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（在循環(huán)次數(shù)一定時(shí)）或循環(huán)次數(shù)（在最大交變應(yīng)力一定時(shí)）達(dá)到疲勞設(shè)計(jì)曲線的規(guī)定值時(shí)，即為容器承載的極限狀態(tài)。當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)定要求考慮容器的疲勞問(wèn)題時(shí)，除對(duì)容器進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算外，還需進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)，即進(jìn)行容器壽命計(jì)算。“按分析設(shè)計(jì)”的容器設(shè)計(jì)規(guī)范包括疲勞設(shè)計(jì)方法。由于疲勞設(shè)計(jì)涉及彈塑性失效準(zhǔn)則，所以將疲勞設(shè)計(jì)列入分析設(shè)計(jì)體系，應(yīng)當(dāng)采用JB/T 47321995鋼制壓力

32、容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，它在選材、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗(yàn)等方面都嚴(yán)于按規(guī)定設(shè)計(jì)的GB 150標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過(guò)105為高周疲勞，102105為低周疲勞。JB/T 47321995規(guī)定對(duì)于常溫抗拉強(qiáng)度b550MPa的鋼材，疲勞循環(huán)次數(shù)小于1000次可免做疲勞分析。對(duì)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(duì)鋼板逐張進(jìn)行超聲波檢測(cè)級(jí)合格，大多都要求對(duì)焊接接頭進(jìn)行百分之百無(wú)損檢測(cè)并對(duì)設(shè)備進(jìn)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(duì)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(jì)壓力是從另一方面體現(xiàn)了這一目的，壓力波動(dòng)不超過(guò)設(shè)計(jì)壓

33、力20%時(shí)可以考慮免除按疲勞設(shè)計(jì)）；通過(guò)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(shí)的應(yīng)力或裂紋尺寸作為臨界狀態(tài)的一種計(jì)算準(zhǔn)則。這種臨界狀態(tài)和相應(yīng)的斷裂失效準(zhǔn)則有臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子及K準(zhǔn)則，臨界裂紋張開(kāi)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(píng)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(bào)廢。我國(guó)在1984年公布的壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)范（CVDA1984）后續(xù)又有GB/T 19624在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定，以COD準(zhǔn)則為主；工程中準(zhǔn)對(duì)應(yīng)力腐蝕的研究方法和相應(yīng)技術(shù)措施常以KIC為主；

34、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(jì)中對(duì)高強(qiáng)度材料制造的壓力容器給予特殊的關(guān)注；開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)中限制過(guò)厚的補(bǔ)強(qiáng)圈被使用；低溫壓力容器的特殊設(shè)計(jì)問(wèn)題；碳鋼和低合金鋼制壓力容器水壓試驗(yàn)時(shí)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(jì)準(zhǔn)則。容器在高溫和一定應(yīng)力的長(zhǎng)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(shí)，即為容器承載的極限狀態(tài)。按照蠕變失效準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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

35、一許用范圍。但規(guī)則設(shè)計(jì)對(duì)高溫容器的設(shè)計(jì)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(qiáng)度來(lái)確定其許用應(yīng)力，以便對(duì)蠕變值進(jìn)行控制。一般認(rèn)為，當(dāng)溫度高于金屬材料的0.250.35Tm(或以絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn))時(shí)，需要考慮蠕變問(wèn)題。當(dāng)碳素鋼的溫度超過(guò)300350oC、低合金鋼超過(guò)400 oC、低合金鉻鉬剛超過(guò)450 oC、奧氏體不銹鋼超過(guò)550 oC的情況下，考慮蠕變問(wèn)題。高溫條件下鋼材許用應(yīng)力“t”的確定是蠕變理論在規(guī)則設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。 腐蝕失效?；毫θ萜鞯母g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(duì)腐蝕失效的控制實(shí)質(zhì)上就是根

36、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(shí)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(jì)算出殼體厚度的基礎(chǔ)上增加腐蝕余量；對(duì)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(wú)統(tǒng)一的限制條件。（3） 設(shè)計(jì)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(lái)判斷容器的強(qiáng)度。對(duì)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(jì)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(jì)算。具體說(shuō)，對(duì)于

37、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(yàn)相吻合的安全水平。在標(biāo)準(zhǔn)中，通過(guò)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(shí)，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(jì)有兩種方法，即規(guī)則設(shè)計(jì)法和分析設(shè)計(jì)法。前者是基于經(jīng)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)，其典型過(guò)程是確定設(shè)計(jì)載荷，選用設(shè)計(jì)公式、曲線和表格，并對(duì)所用材料取一個(gè)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(jì)規(guī)則進(jìn)行制造。GB 1501998鋼制壓力容器為規(guī)則設(shè)計(jì)，按

38、彈性失效準(zhǔn)則應(yīng)用解析方法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)計(jì)算，與JB 47321995鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相比具有計(jì)算簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)，故得到了廣泛應(yīng)用。在GB 1501998鋼制壓力容器與JB 47321995鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的相互覆蓋適用范圍內(nèi)，可按經(jīng)濟(jì)效益對(duì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。JB 4732鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基本思路與ASME 2相同。GB 150、JB 4732和JB/T 4735的適用范圍和主要區(qū)別見(jiàn)表29。表2 GB 150、JB 4732和JB/T 4735的適用

39、范圍和主要區(qū)別項(xiàng)目GB 150JB 4732JB/T 4735設(shè)計(jì)壓力0.1MPaP35MPa，真空度不低于0.02MPa0.1MPaP100MPa，真空度不低于0.02MPa0.02MPaP0.1MPa設(shè)計(jì)溫度按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700 oC，最低為196 oC）低于以鋼材蠕變控制其設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的相應(yīng)溫度（最高475oC）20oC（大于）350oC（奧氏體高合金剛制容器和設(shè)計(jì)溫度低于20oC，但滿足低溫低應(yīng)力工況，且調(diào)整后的設(shè)計(jì)溫度高于20oC的容器不受此限制）對(duì)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(jì)準(zhǔn)則彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、失

40、穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，局部應(yīng)力用極限分析和安定性分析結(jié)果來(lái)評(píng)定彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則項(xiàng)目GB 150JB 4732JB/T 4735應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)彈性有限元法；塑性分析；彈性理論和板殼理論公式，試驗(yàn)應(yīng)力分析以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)強(qiáng)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(guó)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-1、JIS B 8270（除第1種容器除外）等先

41、進(jìn)工業(yè)化國(guó)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(jìn)行比較。 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。中國(guó)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(guó)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(yàn)要求等。表3給出了兩國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的壓力限定值。表3 中、美兩國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中壓力限定值比較（MPa）中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)ASME標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)名稱壓力限定標(biāo)準(zhǔn)名稱推薦壓力范圍GB 150鋼制壓力容器3

42、5ASME-120JB 4732鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)100ASME-270ASME-370 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(jì)系數(shù)來(lái)確定。GB 150中確定鋼材許用應(yīng)力時(shí)，低碳鋼和低合金鋼的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)分別為1.6與3.0，與此相對(duì)應(yīng)，ASME-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(tái)上放置的部位要使爆炸時(shí)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(shí)際需要，本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇圓筒形殼體。第三章

43、 壓力容器基本參數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)中，能夠與強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并重唯有材料及其影響因素材料及其影響因素是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。壓力容器生產(chǎn)的多樣性和設(shè)備的功能性，給選材帶來(lái)了一定的復(fù)雜性，材料科學(xué)所具有半科學(xué)、半經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；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；材料的加工性能，如可焊性、冷熱加工成型性等；材料的價(jià)格及來(lái)源；同一工程設(shè)計(jì)中用材要統(tǒng)一。針對(duì)目前壓力容器的現(xiàn)狀還應(yīng)當(dāng)注

44、意，要盡量?jī)?yōu)先選用壓力容器規(guī)范推薦的材料及國(guó)內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)中已有的材料，并且盡量采用國(guó)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(jì)為主的設(shè)備，受壓容器應(yīng)選用普通碳素鋼，以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)性質(zhì)等使用限制，依次選用Q235A.F、Q235A、Q235B、Q235C、20R、16MnR等鋼板；以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主的普通碳素鋼壓力容器，當(dāng)板厚大于或等于8mm時(shí)，可選用16MnR等普通低合金鋼；鉻鉬低合金鋼可作為設(shè)計(jì)溫度350550oC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(qiáng)、防鐵離子污染或設(shè)計(jì)溫度大于500oC的耐熱用鋼（2）

45、材料問(wèn)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(jìn)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(jiǎn)單介紹下一般的力學(xué)性能。屈服強(qiáng)度s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?qiáng)度b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(zhǎng)率是指試樣拉斷后的伸長(zhǎng)量與原長(zhǎng)度之比，表現(xiàn)材料被拉伸的程度。斷面收縮率ø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(shí)消耗的功除以試樣缺口斷面面積而得到

46、的商值。斷裂韌性KIC為第一類裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)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(guò)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(duì)于均勻腐蝕，通常以腐蝕速率來(lái)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

47、一般還用冷彎試驗(yàn)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(chǎng)合，對(duì)材料的物理性能也有不同的要求。如高溫容器要用熔點(diǎn)高的材料，要進(jìn)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(shí)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(qiáng)的。伸長(zhǎng)率與斷面收縮率ø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(jì)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

48、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(qiáng)度的提高總會(huì)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(qiáng)度材料中更加突顯。沖擊韌性高的高低，取決于材料有無(wú)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(shí)強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)，但塑性對(duì)韌性影響更大些。殼體材料要承受瞬時(shí)強(qiáng)沖擊載荷，在這種情況下，它的力學(xué)性能與靜態(tài)時(shí)有很大的不同，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(shí)設(shè)計(jì)中要考慮材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。下圖5給出了幾種鋼材的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力試驗(yàn)曲線。圖5 動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力d與應(yīng)變力的關(guān)系動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力d與應(yīng)變力的

49、關(guān)系服從如下對(duì)數(shù)關(guān)系：lgdAmlg 或 dT(。)T為動(dòng)態(tài)屈服點(diǎn)（MPa），A為壓縮接觸面積（m2），指數(shù)m如圖所示，由試驗(yàn)確定。從上圖4可知，應(yīng)變率對(duì)純鐵、45號(hào)剛、A3(Q235A級(jí)鋼)等軟鋼特別明顯。軟鋼有明顯的屈服點(diǎn)，破壞前有明顯的預(yù)兆，較大的變形。硬鋼強(qiáng)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0.040%，磷0.040%，塑性好，抗冷脆性等相對(duì)質(zhì)量較好。下表4給出了35號(hào)和45號(hào)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(hào)和45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼化

50、學(xué)成分及力學(xué)性能11鋼號(hào)CSiMnbMPasMPa5%AkJ350.320.400.170.370.500.80530315204555450.420.500.170.370.500.80600355164039由上表4可知，雖然35號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度b和屈服強(qiáng)度s都較45號(hào)鋼的小，而延伸率5、斷面收縮率以及沖擊功Ak均大于45號(hào)鋼。所以根據(jù)以上分析選用35號(hào)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?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，對(duì)焊縫金屬組織會(huì)產(chǎn)生不利影響，同時(shí)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(qiáng)度。所以，為了提高殼體強(qiáng)度，應(yīng)選用無(wú)縫結(jié)構(gòu)。綜上所述本畢

51、業(yè)設(shè)計(jì)選用35號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的無(wú)縫鋼管。3.2 筒體設(shè)計(jì)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(wú)縫鋼管325 mm，壁厚13 mm，尺寸允許偏差：外徑±1.25%，壁厚允許偏差±10%。圓筒形： （ 3.21 ）由公式（ 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)力的計(jì)算公式為，是殼體材料的抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，n是抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度安全系數(shù)，GB 150-89規(guī)定碳素鋼抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)取3.0，屈服強(qiáng)度安全系數(shù)取1.6。由殼體材料的抗拉強(qiáng)度確定的許用應(yīng)力為：由殼體材料的屈服

52、強(qiáng)度確定的許用應(yīng)力為：根據(jù)GB 150-89規(guī)定，取抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度確定的許用應(yīng)力中較小的值，故=176.7MPa5.5MPa。由應(yīng)力分析可知，中徑D，壁厚為S的圓筒形殼體，承受均勻介質(zhì)內(nèi)壓p時(shí)，其器壁中產(chǎn)生如下徑向和周向薄膜應(yīng)力12： （ 3.22 ）式中為鋼材在設(shè)計(jì)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(guò)程中，對(duì)焊縫金屬組織產(chǎn)生不利影響，同時(shí)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(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。因此，在上式（ 3.22 ）中鋼材的許用應(yīng)力應(yīng)該用強(qiáng)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(jì)選擇的是無(wú)縫鋼管作為殼體材料

53、，所以此處取1。內(nèi)壓圓筒計(jì)算厚度S的求解公式如下： （ 3.23 ）設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以計(jì)算壓力代替式（ 3.23 ）中的p，即： （ 3.24 ）式中為計(jì)算壓力MPa，Di為圓筒內(nèi)直徑mm，采用無(wú)縫鋼管做筒體時(shí)，公稱直徑是其外直徑Do，而Di=Do-2S，代入式（ 3.24 ）可得： （ 3.25 ）其中最大工作壓力為5.5MPa，則取=1.1×5.5MPa=6.05MPa，查表得35鋼的屈服強(qiáng)度為315MPa，取安全系數(shù)為3，可求得35鋼的許用應(yīng)力為105MPa，所以可求得：圓筒殼體計(jì)算壁厚：將圓筒殼體計(jì)算壁厚S代入式（ 3.22 ）滿足圓筒殼體設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算公式：圓筒殼體名義壁厚計(jì)算公式

54、：圓筒殼體有效壁厚計(jì)算公式：其中為腐蝕裕量，mm；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(jì)算：鋼管厚度負(fù)偏差和腐蝕裕量分別如下表5和表610所示。表5 鋼管厚度負(fù)偏差鋼管種類壁厚（mm）負(fù)偏差（%）碳素鋼或低合金鋼20201512.5不銹鋼1010201520表6 腐蝕裕量介質(zhì)腐蝕速率（mm/y）腐蝕裕量單面腐蝕雙面腐蝕0.05120.050.112240.1根據(jù)本畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選取為2mm，為1.4mm。所依據(jù)以上分析可以算出：圓筒殼體設(shè)計(jì)壁厚：圓筒殼體名義壁厚：圓筒殼體有效壁厚：圓筒殼體的最大允許工作壓力為：3.3 壓力容器封頭設(shè)計(jì)封頭是容器的重要組成

55、部分，常見(jiàn)的有凸形封頭、錐形封頭和平板封頭。這些在強(qiáng)度和制造等方面各有特點(diǎn)，采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來(lái)決定。（1） 內(nèi)壓凸形封頭凸形封頭又包括以下半球形封頭、橢圓封頭、碟形封頭、球冠形封頭。 半球形封頭半球形封頭是由半個(gè)球殼構(gòu)成的。故按無(wú)力矩理論計(jì)算，需要的厚度是同樣直徑的圓筒的二分之一。若厚度取與圓筒一樣大小，則由前面的不連續(xù)分析可知，兩者連接處的最大應(yīng)力比圓筒周向薄膜應(yīng)力大3.1，故從受力來(lái)看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺點(diǎn)是深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量亦較大。 碟形封頭碟形封頭又稱帶折邊球形封頭，由三部分構(gòu)成：以Ri為半徑的球面、以r為半徑的過(guò)渡圓弧(即折邊)和高度為h的直邊。球面半徑越大，折邊半徑越小，封頭的深度將越淺，這對(duì)于加工成型有利。但是考慮到球面部分與過(guò)渡區(qū)聯(lián)接處的局部高應(yīng)力，規(guī)定碟形封頭球面部分的半徑一般不