油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)Strength Design Of Oil Tanks and Pipes 目錄目錄 Contents第一章第一章 鋼油罐設(shè)計(jì)的基本知識鋼油罐設(shè)計(jì)的基本知識第二章第二章 軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力及位移分析軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力及位移分析第三章第三章 立式圓柱形油罐的尺寸選擇和罐壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)立式圓柱形油罐的尺寸選擇和罐壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)第四章第四章 立式圓柱形油罐罐頂（固定頂）設(shè)計(jì)立式圓柱形油罐罐頂（固定頂）設(shè)計(jì) 第五章第五章 浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)第六章第六章 立式鋼油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)立式鋼油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)第七章第七章 立式油罐罐底和油罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)立式油罐罐底和油罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)第八章第

2、八章 立式鋼油罐的抗震設(shè)計(jì)立式鋼油罐的抗震設(shè)計(jì)第十章第十章 地上管道地上管道第十一章第十一章 地下管道地下管道1、油庫、油庫 定義：定義：油庫即收發(fā)和儲(chǔ)存油品的獨(dú)立的或油庫即收發(fā)和儲(chǔ)存油品的獨(dú)立的或企業(yè)附屬的倉庫或設(shè)施。企業(yè)附屬的倉庫或設(shè)施。組成組成：收發(fā)油系統(tǒng)和儲(chǔ)存單元。收發(fā)油系統(tǒng)和儲(chǔ)存單元。油庫油庫收發(fā)油系統(tǒng)的收發(fā)油系統(tǒng)的主要設(shè)備主要設(shè)備泵、閥門和管線泵、閥門和管線各類儀表各類儀表儲(chǔ)存單元儲(chǔ)存單元各種油罐各種油罐2、本課程的研究對象、本課程的研究對象金屬油罐的優(yōu)點(diǎn)：金屬油罐的優(yōu)點(diǎn)：安全可靠，經(jīng)久耐用；安全可靠，經(jīng)久耐用；不滲漏；不滲漏； 結(jié)構(gòu)簡單，施工方便、速度快，可以拆結(jié)構(gòu)簡單，施工方便

3、、速度快，可以拆遷再使用；遷再使用；造價(jià)低，占地面積少，適用范圍廣。造價(jià)低，占地面積少，適用范圍廣。一、教學(xué)內(nèi)容一、教學(xué)內(nèi)容第一章第一章 鋼油罐設(shè)計(jì)的基本知識鋼油罐設(shè)計(jì)的基本知識1-1 鋼油罐的發(fā)展趨勢及面臨的新課題鋼油罐的發(fā)展趨勢及面臨的新課題1-2 鋼油罐的種類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍鋼油罐的種類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍1-3 鋼油罐的基本要求鋼油罐的基本要求1-4 鋼油罐材料的選擇鋼油罐材料的選擇二、教學(xué)目標(biāo)二、教學(xué)目標(biāo) 1、了解金屬油罐的發(fā)展趨勢及需要面臨的、了解金屬油罐的發(fā)展趨勢及需要面臨的若干新課題；若干新課題； 2、熟悉鋼油罐的各種類型劃分、各類型的、熟悉鋼油罐的各種類型劃分、各類型的結(jié)

4、構(gòu)特點(diǎn)及其適用范圍；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其適用范圍； 3、理解對鋼油罐的五個(gè)基本要求；、理解對鋼油罐的五個(gè)基本要求； 4、熟悉各個(gè)國家對油罐鋼材的不同要求。、熟悉各個(gè)國家對油罐鋼材的不同要求。 第一章第一章 鋼油罐設(shè)計(jì)的鋼油罐設(shè)計(jì)的基本知識基本知識1-1 鋼油罐的發(fā)展趨勢及面臨的新課題鋼油罐的發(fā)展趨勢及面臨的新課題鋼油罐發(fā)展的總趨勢是：鋼油罐發(fā)展的總趨勢是：大型化大型化操作管理自動(dòng)化操作管理自動(dòng)化、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)u節(jié)省鋼材節(jié)省鋼材、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)u減少投資減少投資我國鲇魚灣油庫提供我國鲇魚灣油庫提供日本提供日本提供、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)、油罐大型化的優(yōu)點(diǎn)u占地面積少；

5、占地面積少；u節(jié)省管線及配件；節(jié)省管線及配件；u便于操作管理。便于操作管理。、油罐大型化帶來的新課題、油罐大型化帶來的新課題 鋼材的強(qiáng)度越高，斷裂韌性越低，即越鋼材的強(qiáng)度越高，斷裂韌性越低，即越容易產(chǎn)生斷裂。容易產(chǎn)生斷裂。 鋼板越厚，鋼板越厚，在焊縫或熱影在焊縫或熱影響區(qū)附近越易響區(qū)附近越易于產(chǎn)生裂紋，于產(chǎn)生裂紋，從而增加了斷從而增加了斷裂的危險(xiǎn)性。裂的危險(xiǎn)性。、油罐大型化帶來的新課題、油罐大型化帶來的新課題 鋼板強(qiáng)度等級越高，其可焊性越低，這鋼板強(qiáng)度等級越高，其可焊性越低，這要求設(shè)計(jì)者選材時(shí)注意其可焊性，同時(shí)采要求設(shè)計(jì)者選材時(shí)注意其可焊性，同時(shí)采取合適的焊接工藝。取合適的焊接工藝。 隨著油罐

6、的大型化，壁厚隨著油罐的大型化，壁厚t與直徑與直徑D之比之比t/D降低，油罐鋼性降低，導(dǎo)致油罐抵抗降低，油罐鋼性降低，導(dǎo)致油罐抵抗風(fēng)荷的能力下降。風(fēng)荷的能力下降。 可焊性：接頭焊接的可能性（針對施工而可焊性：接頭焊接的可能性（針對施工而言）和使用時(shí)的可靠性（針對使用而言）。言）和使用時(shí)的可靠性（針對使用而言）。、油罐大型化帶來的新課題、油罐大型化帶來的新課題 隨著油罐的大型化，地震破壞造成的損隨著油罐的大型化，地震破壞造成的損失也隨之增加。失也隨之增加。 大型油罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、如何恰當(dāng)?shù)靥岢龃笮陀凸藁A(chǔ)的設(shè)計(jì)、如何恰當(dāng)?shù)靥岢鰧τ诔料莸囊螅约安捎煤畏N結(jié)構(gòu)以增對于沉陷的要求，以及采用何種結(jié)構(gòu)以增

7、加油罐抵抗不均勻沉陷的能力等。加油罐抵抗不均勻沉陷的能力等。操作管理自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)：操作管理自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)：省力；省力；計(jì)量程度高，便于監(jiān)測和控制。計(jì)量程度高，便于監(jiān)測和控制。 油品在收發(fā)時(shí)都要計(jì)量，而影響計(jì)量油品在收發(fā)時(shí)都要計(jì)量，而影響計(jì)量精度的主要有以下三個(gè)方面的誤差：即精度的主要有以下三個(gè)方面的誤差：即系系統(tǒng)誤差統(tǒng)誤差、偶然誤差偶然誤差和和過失性誤差過失性誤差。目前我。目前我國的計(jì)量精度為國的計(jì)量精度為5。系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差 具有一定規(guī)律性的誤差，可以消除和具有一定規(guī)律性的誤差，可以消除和計(jì)算出。其原因主要有：儀器不良；周圍計(jì)算出。其原因主要有：儀器不良；周圍環(huán)境如環(huán)境如T、濕度、濕度、P、磁

8、場、電場等的改變，、磁場、電場等的改變，測量的方法和理論上的錯(cuò)誤；操作人員的測量的方法和理論上的錯(cuò)誤；操作人員的習(xí)慣與偏向等引起的誤差。習(xí)慣與偏向等引起的誤差。偶然誤差偶然誤差 產(chǎn)生原因無規(guī)律性，但與測量的次數(shù)產(chǎn)生原因無規(guī)律性，但與測量的次數(shù)有關(guān)。當(dāng)其測量次數(shù)足夠多時(shí)，偶然誤差有關(guān)。當(dāng)其測量次數(shù)足夠多時(shí)，偶然誤差完全服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。完全服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。過失性誤差過失性誤差 主要由操作人員的過失產(chǎn)生。如業(yè)務(wù)主要由操作人員的過失產(chǎn)生。如業(yè)務(wù)技術(shù)不熟、操作不正確或工作作風(fēng)馬虎或技術(shù)不熟、操作不正確或工作作風(fēng)馬虎或過度疲勞、神智不清、或讀錯(cuò)示值。過度疲勞、神智不清、或讀錯(cuò)示值。1-2 鋼油罐的種類、結(jié)構(gòu)特

9、點(diǎn)和適用范圍鋼油罐的種類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍一、種類一、種類按幾何形按幾何形狀分狀分臥式圓柱形油罐臥式圓柱形油罐立式圓柱形油罐立式圓柱形油罐雙曲率油罐雙曲率油罐拱頂拱頂浮頂浮頂內(nèi)浮頂內(nèi)浮頂錐頂錐頂懸鏈?zhǔn)綉益準(zhǔn)阶灾С惺阶灾С惺借旒苁借旒苁搅菏搅菏蕉⒔Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍l臥式圓柱形油罐臥式圓柱形油罐人孔人孔筒體板圈筒體板圈三角支撐三角支撐碟形封頭碟形封頭（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) V100m3的臥式油罐一般在工廠內(nèi)造好的臥式油罐一般在工廠內(nèi)造好運(yùn)到現(xiàn)場即可使用；而運(yùn)到現(xiàn)場即可使用；而V 100m3的油罐的油罐都在現(xiàn)場組裝和驗(yàn)收。都在現(xiàn)場組裝和驗(yàn)收。 罐體一般由鋼板搭接而成，罐圈

10、交互式排罐體一般由鋼板搭接而成，罐圈交互式排列，并取單數(shù)，使兩個(gè)封頭直徑相同。列，并取單數(shù)，使兩個(gè)封頭直徑相同。臥式圓柱形油罐臥式圓柱形油罐（2）優(yōu)點(diǎn)：）優(yōu)點(diǎn)：承壓能力高；承壓能力高； V100m3的可在工廠批量生產(chǎn)；的可在工廠批量生產(chǎn)；搬遷安裝方便。搬遷安裝方便。臥式圓柱形油罐臥式圓柱形油罐臥式圓柱形油罐臥式圓柱形油罐 （3）缺點(diǎn)：）缺點(diǎn)： 耗鋼量大，一般為耗鋼量大，一般為4050kg/m3。 罐容小，占地面積大。罐容小，占地面積大。 （4）適用范圍：）適用范圍： 一般用于高架罐、放空罐、計(jì)量罐或用于一般用于高架罐、放空罐、計(jì)量罐或用于儲(chǔ)存品種多、數(shù)量少的油品，也用于貯存儲(chǔ)存品種多、數(shù)量少的

11、油品，也用于貯存液化石油氣。液化石油氣。 二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍l立式圓柱形油罐立式圓柱形油罐組成：組成：平底、圓柱形罐壁和罐頂。平底由平底、圓柱形罐壁和罐頂。平底由鋼板搭接而成；罐壁由薄鋼板對接或搭接鋼板搭接而成；罐壁由薄鋼板對接或搭接而成；罐頂由薄鋼板搭接而成。而成；罐頂由薄鋼板搭接而成。特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、容量范圍大，應(yīng)用范圍結(jié)構(gòu)簡單、容量范圍大，應(yīng)用范圍廣，但承壓能力低。廣，但承壓能力低。拱頂油罐拱頂油罐 Dome Roof Tanks拱頂油罐拱頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：頂由頂由46mm的薄鋼板和加強(qiáng)筋的薄鋼板和加強(qiáng)筋（通常用扁鋼）組成，形如球面，拱頂載（通常用

12、扁鋼）組成，形如球面，拱頂載荷靠拱頂板周邊支承于罐壁包邊角鋼上，荷靠拱頂板周邊支承于罐壁包邊角鋼上，球面由中心蓋板和瓜皮搭接而成。球面由中心蓋板和瓜皮搭接而成。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，備料和施工方便，造價(jià)低。結(jié)構(gòu)簡單，備料和施工方便，造價(jià)低。拱頂油罐拱頂油罐 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： a）蒸發(fā)損耗較大；）蒸發(fā)損耗較大； b）罐容有一定的限制。）罐容有一定的限制。適用范圍：適用范圍：廣泛用作容積在廣泛用作容積在10000 m3以下以下的成品油儲(chǔ)罐，目前國內(nèi)最大的已達(dá)的成品油儲(chǔ)罐，目前國內(nèi)最大的已達(dá)5萬方。萬方。抗風(fēng)圈抗風(fēng)圈伸縮吊架伸縮吊架人孔人孔浮船支柱浮船支柱罐頂平臺罐頂平臺量油管量油管浮梯浮梯軌道軌道底板

13、底板浮船浮船單盤單盤罐壁罐壁盤梯盤梯密封板密封板集液管集液管折疊排水管折疊排水管浮頂油罐浮頂油罐Floating-Roof Tanks 浮頂油罐浮頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由薄鋼板組成的圓盤（單盤或雙由薄鋼板組成的圓盤（單盤或雙盤）可隨油面的升降而上下自由移動(dòng)。盤）可隨油面的升降而上下自由移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：a）油品呼吸損耗??；）油品呼吸損耗??；b）浮頂受力狀況良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易；）浮頂受力狀況良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易； c）環(huán)境污染小，火災(zāi)危害性小。）環(huán)境污染小，火災(zāi)危害性小。浮頂油罐浮頂油罐缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對于單盤式浮頂罐，頂在浮力的穩(wěn)定對于單盤式浮頂罐，頂在浮力的穩(wěn)定性方面欠佳，且頂易被雨水腐蝕而積

14、水難于性方面欠佳，且頂易被雨水腐蝕而積水難于排除。而雙盤式價(jià)格較貴。排除。而雙盤式價(jià)格較貴。適用范圍：適用范圍：單盤式浮頂罐多用于單盤式浮頂罐多用于5000 m3以以上的原油或汽油油罐；雙盤式多用于上的原油或汽油油罐；雙盤式多用于5000m3以下的輕質(zhì)油油罐。以下的輕質(zhì)油油罐。 國外已建成國外已建成24萬萬m3的浮頂罐，我國已的浮頂罐，我國已建成建成10萬萬m3的。的。內(nèi)浮頂油罐內(nèi)浮頂油罐Enclosed Floating-Roof Tanks 罐頂罐頂罐頂通氣孔罐頂通氣孔罐頂支柱罐頂支柱自動(dòng)通氣孔自動(dòng)通氣孔單盤人孔單盤人孔罐壁通氣孔罐壁通氣孔內(nèi)浮頂內(nèi)浮頂密封裝置密封裝置導(dǎo)向板導(dǎo)向板浮頂支柱浮

15、頂支柱內(nèi)浮頂油罐內(nèi)浮頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兼有拱頂罐和浮頂罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。兼有拱頂罐和浮頂罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：a）蒸發(fā)損失大大減少；）蒸發(fā)損失大大減少；b）空氣污染很小，油品質(zhì)量易保證；）空氣污染很小，油品質(zhì)量易保證； c）罐頂和罐壁腐蝕小，罐壽命長；）罐頂和罐壁腐蝕小，罐壽命長；d）附件減少；）附件減少；e）現(xiàn)存的拱頂罐易改造為內(nèi)浮頂罐，投資）現(xiàn)存的拱頂罐易改造為內(nèi)浮頂罐，投資少，見效快。少，見效快。內(nèi)浮頂油罐內(nèi)浮頂油罐缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：a）與拱頂罐相比，造價(jià)高，施工技術(shù)要求高；）與拱頂罐相比，造價(jià)高，施工技術(shù)要求高；b）與浮頂罐相比，密封結(jié)構(gòu)檢查維修不便；）與浮頂罐相比，密封結(jié)構(gòu)檢查維修

16、不便；適用范圍：適用范圍：V1萬萬m3的內(nèi)浮頂罐多用來儲(chǔ)存的內(nèi)浮頂罐多用來儲(chǔ)存輕質(zhì)油品，目前正在推廣。輕質(zhì)油品，目前正在推廣。c）不易大型化（因?yàn)楣绊斒艿较拗疲＃┎灰状笮突ㄒ驗(yàn)楣绊斒艿较拗疲?。錐頂油罐錐頂油罐Cone Roof Tanks 中心立柱中心立柱外立柱外立柱內(nèi)立柱內(nèi)立柱罐壁罐壁內(nèi)外檁內(nèi)外檁lin椽椽chuan頂板頂板底板底板錐頂油罐錐頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：a）自支承式：頂為圓錐形，載荷由罐頂自）自支承式：頂為圓錐形，載荷由罐頂自承，并且傳遞到罐壁。承，并且傳遞到罐壁。b）桁架式：載荷由桁架承擔(dān)并傳遞到罐壁，）桁架式：載荷由桁架承擔(dān)并傳遞到罐壁，為了防止因橫向載荷所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)，

17、需要為了防止因橫向載荷所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)，需要采用裝入斜支承等措施。采用裝入斜支承等措施。錐頂油罐錐頂油罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：c）梁柱式：罐頂載荷由梁柱承擔(dān)并傳遞到）梁柱式：罐頂載荷由梁柱承擔(dān)并傳遞到罐壁。梁柱按梁的彎曲理論設(shè)計(jì)。罐頂坡罐壁。梁柱按梁的彎曲理論設(shè)計(jì)。罐頂坡度一般為度一般為1/16。在易地震的罐區(qū)，為了防止。在易地震的罐區(qū)，為了防止頂板支承構(gòu)件旋轉(zhuǎn)，需要采用拉桿將外圍頂板支承構(gòu)件旋轉(zhuǎn)，需要采用拉桿將外圍支柱相互連接等措施。支柱相互連接等措施。錐頂油罐錐頂油罐優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：不受雨水塵土的影響，易保證油品不受雨水塵土的影響，易保證油品質(zhì)量。質(zhì)量。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難，造價(jià)高，而且梁結(jié)

18、構(gòu)復(fù)雜，施工難，造價(jià)高，而且梁柱式對地基要求較高。柱式對地基要求較高。錐頂油罐錐頂油罐適用范圍：適用范圍：b）桁架式：）桁架式： V1000m3，內(nèi)徑多為，內(nèi)徑多為35m左左右；右；c）梁柱式：）梁柱式： 地基好的地方可選地基好的地方可選67萬萬m3的，的，一般為一般為4萬萬m3的。不適用于有不均勻沉降的。不適用于有不均勻沉降的地基上或地震載荷較大的地區(qū)。的地基上或地震載荷較大的地區(qū)。a）自支承式：）自支承式： V 100m3；懸鏈?zhǔn)接凸迲益準(zhǔn)接凸轘uspending Roof Tanks 懸鏈?zhǔn)焦揄攽益準(zhǔn)焦揄敚ㄓ杀′摪褰M成，（由薄鋼板組成，只有拉力而無彎曲應(yīng)力，故只有拉力而無彎曲應(yīng)力，故稱無

19、力矩罐）稱無力矩罐）中心柱中心柱懸鏈最低點(diǎn)易積水、懸鏈最低點(diǎn)易積水、生銹生銹二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍l雙曲率油罐雙曲率油罐 雙曲率油罐可分為雙曲率油罐可分為滴狀油罐滴狀油罐和和球形油球形油罐罐。滴狀油罐可承受。滴狀油罐可承受0.41.2kgf/cm2的剩余的剩余壓力，可消除小呼吸損耗，適用于儲(chǔ)存揮壓力，可消除小呼吸損耗，適用于儲(chǔ)存揮發(fā)性大的油品，但這種油罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施發(fā)性大的油品，但這種油罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工困難，建設(shè)費(fèi)用高，故一般不采用。球工困難，建設(shè)費(fèi)用高，故一般不采用。球罐用于儲(chǔ)存液化氣，其設(shè)計(jì)一般劃在受壓罐用于儲(chǔ)存液化氣，其設(shè)計(jì)一般劃在受壓容器范圍內(nèi)。容器范圍內(nèi)。滴狀油

20、罐滴狀油罐球形油罐球形油罐球罐的分類球罐的分類a）按球罐的）按球罐的用途分用途分在高、中壓，常溫下使用的球罐，如在高、中壓，常溫下使用的球罐，如貯存液化石油氣、天然氣等，貯存液化石油氣、天然氣等，P=13MPa，T=常溫常溫在中、低壓，低溫下使用的球罐，如在中、低壓，低溫下使用的球罐，如貯存液氨、乙烯、丙烯等，貯存液氨、乙烯、丙烯等，P=0.42MPa，T=-20-100在低壓，深冷下使用的球罐，如貯存在低壓，深冷下使用的球罐，如貯存-100以下的液化氣，以下的液化氣，P極低，極低，T -100，為保冷多采用雙重球罐。，為保冷多采用雙重球罐。球罐的分類球罐的分類b）按外觀形狀分）按外觀形狀分圓

21、球形圓球形橢球形橢球形c）從球殼板組合）從球殼板組合情況分情況分足球瓣形足球瓣形瓜瓣形瓜瓣形混合形混合形球罐的優(yōu)點(diǎn)球罐的優(yōu)點(diǎn)a）與同容積的圓柱形罐相比，球罐的表面）與同容積的圓柱形罐相比，球罐的表面積小，故球罐板面積小。積小，故球罐板面積小。b）球罐受力均勻。在相同直徑和工作壓力）球罐受力均勻。在相同直徑和工作壓力下，其薄壁應(yīng)力僅為圓柱形罐的法向應(yīng)力下，其薄壁應(yīng)力僅為圓柱形罐的法向應(yīng)力的的1/2，故球罐板厚僅約需后者的，故球罐板厚僅約需后者的1/2，使得，使得球罐用料省，造價(jià)低。球罐用料省，造價(jià)低。球罐的優(yōu)點(diǎn)球罐的優(yōu)點(diǎn)c）對風(fēng)載荷而言，球罐比圓柱形罐更安）對風(fēng)載荷而言，球罐比圓柱形罐更安全，因

22、為頂風(fēng)面積小。全，因?yàn)轫旓L(fēng)面積小。d）球罐基礎(chǔ)簡單，工程量小，且建造費(fèi)）球罐基礎(chǔ)簡單，工程量小，且建造費(fèi)用低。用低。e）由于球罐容積）由于球罐容積V大，在大，在V總總一定時(shí)，球一定時(shí)，球罐質(zhì)量大大減少，給管理帶來方便。罐質(zhì)量大大減少，給管理帶來方便。球罐的缺點(diǎn)球罐的缺點(diǎn)a）受國家原材料供應(yīng)（包括板材厚度、）受國家原材料供應(yīng)（包括板材厚度、規(guī)格尺寸及性能等）的限制程度嚴(yán)格。規(guī)格尺寸及性能等）的限制程度嚴(yán)格。b）與圓柱形罐相比，球罐的制造、安裝）與圓柱形罐相比，球罐的制造、安裝均較困難。均較困難。c）球罐幾乎全是現(xiàn)場組裝和焊接，條件差，）球罐幾乎全是現(xiàn)場組裝和焊接，條件差，技術(shù)要求高。技術(shù)要求高。

23、球罐的缺點(diǎn)球罐的缺點(diǎn)d）由于國內(nèi)鋼材品種少，規(guī)格尺寸偏小，）由于國內(nèi)鋼材品種少，規(guī)格尺寸偏小，球罐板幅小，焊縫較多，從而增加了工球罐板幅小，焊縫較多，從而增加了工作量。作量。e）現(xiàn)行規(guī)范多而且不統(tǒng)一，檢驗(yàn)工作量）現(xiàn)行規(guī)范多而且不統(tǒng)一，檢驗(yàn)工作量大，要求嚴(yán)格。大，要求嚴(yán)格。使用范圍使用范圍球罐大多用于儲(chǔ)存液化石油氣（球罐大多用于儲(chǔ)存液化石油氣（LPG）、）、液化天然氣（液化天然氣（LNG）、液態(tài)烴、乙烯、）、液態(tài)烴、乙烯、丙烯以及丙烯以及O2、N2、H2等易燃易爆和有毒等易燃易爆和有毒的液體、氣體介質(zhì)。的液體、氣體介質(zhì)。1-3 鋼油罐的基本要求鋼油罐的基本要求思路：思路：Vt理論上：可解決強(qiáng)度問

24、題理論上：可解決強(qiáng)度問題實(shí)際上：施工是否可行？板實(shí)際上：施工是否可行？板厚了，焊接和熱處理都比較厚了，焊接和熱處理都比較難。難。1-3 鋼油罐的基本要求鋼油罐的基本要求 1、具有足夠的強(qiáng)度：不產(chǎn)生塑性變形（卸、具有足夠的強(qiáng)度：不產(chǎn)生塑性變形（卸載后）。載后）。 2、具有足夠的韌性：在水壓試驗(yàn)或操作狀、具有足夠的韌性：在水壓試驗(yàn)或操作狀態(tài)下，油罐不產(chǎn)生斷裂破壞。態(tài)下，油罐不產(chǎn)生斷裂破壞。 衡量韌性的指標(biāo)是：沖韌值（一般采用衡量韌性的指標(biāo)是：沖韌值（一般采用“V”型試件測定），即試件型試件測定），即試件“V”型缺口儲(chǔ)存的型缺口儲(chǔ)存的能量，焦耳（能量，焦耳（J）。）。1-3 鋼油罐的基本要求鋼油罐的

25、基本要求 3、具有良好的剛性：整體穩(wěn)定，有良好的、具有良好的剛性：整體穩(wěn)定，有良好的抗風(fēng)能力?？癸L(fēng)能力。 4、具有一定的抗地震能力：在罐區(qū)最大地、具有一定的抗地震能力：在罐區(qū)最大地震烈度下不產(chǎn)生破壞。震烈度下不產(chǎn)生破壞。 5、罐基礎(chǔ)均勻穩(wěn)固：罐基礎(chǔ)的不均勻沉陷、罐基礎(chǔ)均勻穩(wěn)固：罐基礎(chǔ)的不均勻沉陷要在允許范圍內(nèi)，否則，貯罐產(chǎn)生的應(yīng)力要在允許范圍內(nèi)，否則，貯罐產(chǎn)生的應(yīng)力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力。將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力。1-4 鋼油罐材料的選擇鋼油罐材料的選擇 1、對于罐壁用鋼材有三項(xiàng)主要要求：、對于罐壁用鋼材有三項(xiàng)主要要求：（1）強(qiáng)度要求強(qiáng)度要求；（2）可焊性要求可焊性要求；（3）沖擊韌性要

26、求沖擊韌性要求。（1）強(qiáng)度要求）強(qiáng)度要求 近年來，對于作為罐壁用的鋼材（不包近年來，對于作為罐壁用的鋼材（不包括由剛性決定的部分），選用的強(qiáng)度值越來括由剛性決定的部分），選用的強(qiáng)度值越來越高。這一狀況主要由兩種因素造成，一是越高。這一狀況主要由兩種因素造成，一是采用高強(qiáng)度鋼比較經(jīng)濟(jì)。另一因素是各國規(guī)采用高強(qiáng)度鋼比較經(jīng)濟(jì)。另一因素是各國規(guī)范均對罐壁的允許最大厚度做了限制。因此，范均對罐壁的允許最大厚度做了限制。因此，為建設(shè)更大的油罐，必須在保證可焊性和沖為建設(shè)更大的油罐，必須在保證可焊性和沖擊韌性的前提下，提高鋼板的強(qiáng)度。擊韌性的前提下，提高鋼板的強(qiáng)度。（2）可焊性要求）可焊性要求對鋼板的可焊性

27、一般用兩種指標(biāo)控制：對鋼板的可焊性一般用兩種指標(biāo)控制： 一是碳的當(dāng)量含量一是碳的當(dāng)量含量；二是熱影響區(qū)的硬度二是熱影響區(qū)的硬度。可焊性：是指鋼在一定的焊接材料、工藝可焊性：是指鋼在一定的焊接材料、工藝和結(jié)構(gòu)條件下，經(jīng)焊接后能獲得一定焊接和結(jié)構(gòu)條件下，經(jīng)焊接后能獲得一定焊接接頭性能的能力。接頭性能的能力。碳的當(dāng)量含量碳的當(dāng)量含量 英國油罐規(guī)范英國油罐規(guī)范BS2654對碳當(dāng)量含量的要求比較嚴(yán)對碳當(dāng)量含量的要求比較嚴(yán)格，該規(guī)范規(guī)定碳當(dāng)量含量按下式計(jì)算：格，該規(guī)范規(guī)定碳當(dāng)量含量按下式計(jì)算：1556CuNiVMoCrMnCCeq 上式為熱分析值。上式為熱分析值。Ceq的限制與鋼板厚度有關(guān)，當(dāng)厚的限制與鋼

28、板厚度有關(guān)，當(dāng)厚度為度為2025mm時(shí)，時(shí)， Ceq 0.43；當(dāng)厚度大于；當(dāng)厚度大于25mm時(shí)，時(shí)， Ceq 0.42。 當(dāng)采用復(fù)核分析時(shí)，碳當(dāng)量按下式計(jì)算，當(dāng)采用復(fù)核分析時(shí)，碳當(dāng)量按下式計(jì)算， Ceq 0.43， 日本對日本對Ceq的要求比英國寬，例如的要求比英國寬，例如HW50的的Ceq值按值按下式計(jì)算，下式計(jì)算， Ceq 0.46，144540246VMoCrNiSiMnCCeq6MnCCeq熱影響區(qū)的硬度熱影響區(qū)的硬度 熱影響區(qū)的硬度與熱影響區(qū)的硬度與Ceq及冷卻速度有關(guān)。及冷卻速度有關(guān)。 Ceq越高、冷卻速度越快，則熱影響區(qū)的硬越高、冷卻速度越快，則熱影響區(qū)的硬度越高，當(dāng)把熱影響區(qū)

29、的硬度做為可焊性的度越高，當(dāng)把熱影響區(qū)的硬度做為可焊性的指標(biāo)時(shí)，國際焊按學(xué)會(huì)指標(biāo)時(shí)，國際焊按學(xué)會(huì)IIW（International Institute of Welding）對冷卻速度規(guī)定為：）對冷卻速度規(guī)定為：工件由工件由800至至500的冷卻時(shí)間為的冷卻時(shí)間為7秒。對秒。對HW50鋼板規(guī)定：熱影響區(qū)的硬度不大于鋼板規(guī)定：熱影響區(qū)的硬度不大于390Hv(測試載荷為測試載荷為10kgf)。（3）沖擊韌性要求）沖擊韌性要求 沖擊韌性要求是為防止油罐產(chǎn)生脆性斷裂破壞沖擊韌性要求是為防止油罐產(chǎn)生脆性斷裂破壞的一個(gè)重要指標(biāo)。影響油罐脆性斷裂的因素如下：的一個(gè)重要指標(biāo)。影響油罐脆性斷裂的因素如下：1）脆

30、性破壞的產(chǎn)生主要與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。）脆性破壞的產(chǎn)生主要與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。2）脆性破壞的發(fā)生與裂紋所在部位的應(yīng)力水平有）脆性破壞的發(fā)生與裂紋所在部位的應(yīng)力水平有關(guān)，應(yīng)力越高則越容易產(chǎn)生脆性破壞。關(guān)，應(yīng)力越高則越容易產(chǎn)生脆性破壞。3）與裂紋的尺寸和形狀有關(guān)，裂紋尖而長則易于）與裂紋的尺寸和形狀有關(guān)，裂紋尖而長則易于產(chǎn)生脆性破壞。產(chǎn)生脆性破壞。（3）沖擊韌性要求）沖擊韌性要求 4）與罐壁的溫度有關(guān)，溫度越低，鋼材的）與罐壁的溫度有關(guān)，溫度越低，鋼材的韌性越差，越容易產(chǎn)生脆性破壞。韌性越差，越容易產(chǎn)生脆性破壞。 5）與鋼板的厚度有關(guān)，鋼板越厚越容易產(chǎn)）與鋼板的厚度有關(guān)，鋼板越厚越容易產(chǎn)生脆性破

31、壞。生脆性破壞。1-4 鋼油罐材料的選擇鋼油罐材料的選擇 2、選材原則和選材時(shí)應(yīng)考慮的主要因素：、選材原則和選材時(shí)應(yīng)考慮的主要因素： 原則：原則：安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理 考慮因素：考慮因素： 1）油罐的設(shè)計(jì)條件：設(shè)計(jì)壓力（針對封閉式）油罐的設(shè)計(jì)條件：設(shè)計(jì)壓力（針對封閉式貯罐如拱頂罐而言，指罐體強(qiáng)度和穩(wěn)定性所貯罐如拱頂罐而言，指罐體強(qiáng)度和穩(wěn)定性所能承受的壓力）、設(shè)計(jì)溫度（指罐體金屬溫能承受的壓力）、設(shè)計(jì)溫度（指罐體金屬溫度）、介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)特別是腐蝕性以及材度）、介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)特別是腐蝕性以及材料的使用部位等。料的使用部位等。1-4 鋼油罐材料的選擇鋼油罐材料的選擇 考慮因素：考慮

32、因素： 2）材料的機(jī)械性能、化學(xué)成分、焊接性能）材料的機(jī)械性能、化學(xué)成分、焊接性能和抗腐蝕性能等。和抗腐蝕性能等。 3）價(jià)格合理。）價(jià)格合理。1-4 鋼油罐材料的選擇鋼油罐材料的選擇 3、鋼油罐常用材料及其性能：、鋼油罐常用材料及其性能： 對于這些普通低碳鋼，其強(qiáng)度較低，焊對于這些普通低碳鋼，其強(qiáng)度較低，焊接性能好。鋼板越薄，韌性越好。只有在罐區(qū)接性能好。鋼板越薄，韌性越好。只有在罐區(qū)最低日平均溫度低于最低日平均溫度低于-20時(shí)，才對時(shí)，才對t12mm的鋼板進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)。的鋼板進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)。 1） A3，A3F16Mn，16MnR，15MnVR普通碳素鋼普通碳素鋼普通低合金鋼普通低合金

33、鋼容器用鋼容器用鋼3、鋼油罐常用材料及其性能：、鋼油罐常用材料及其性能：1）近年來，貯罐用高強(qiáng)度鋼有很大發(fā)展。它）近年來，貯罐用高強(qiáng)度鋼有很大發(fā)展。它可分為可分為細(xì)晶粒正火鋼，細(xì)晶粒正火鋼，調(diào)質(zhì)鋼（經(jīng)淬火調(diào)質(zhì)鋼（經(jīng)淬火加回火而成），其共同特點(diǎn)是，由于加回火而成），其共同特點(diǎn)是，由于Ceq超過超過一定值，對缺口韌性和可焊性產(chǎn)生有害作用，一定值，對缺口韌性和可焊性產(chǎn)生有害作用，這可以通過控制碳含量來改善現(xiàn)場的焊接性這可以通過控制碳含量來改善現(xiàn)場的焊接性能，兩種鋼中能，兩種鋼中C都不應(yīng)都不應(yīng)0.2%（ Ceq正火鋼正火鋼Ceq調(diào)質(zhì)鋼），通過嚴(yán)格控制夏比調(diào)質(zhì)鋼），通過嚴(yán)格控制夏比V型沖擊型沖擊韌性值，

34、來保證厚板有足夠的缺口韌性。韌性值，來保證厚板有足夠的缺口韌性。3、鋼油罐常用材料及其性能：、鋼油罐常用材料及其性能： 1）我國鋼材的各項(xiàng)性能指標(biāo)可查閱）我國鋼材的各項(xiàng)性能指標(biāo)可查閱SYJ1016-82或或QB700-65。國外鋼材型號及性能指標(biāo)可查閱各國的規(guī)范。國外鋼材型號及性能指標(biāo)可查閱各國的規(guī)范。日本日本JIS（Japanese Industrial Standards）美國美國ASTM（American Society for Testing Material）或或API（American Petroleum Institute）英國英國BS（British Standards）3、鋼

35、油罐常用材料及其性能：、鋼油罐常用材料及其性能：2）對于小型油罐（）對于小型油罐（10001萬萬m3），我國一），我國一般用般用A3和和A3F。A3F最低使用溫度最低使用溫度tmin=-10，在，在 -10則用則用 A3F，反之用，反之用A3；并在；并在tmin下作水壓試下作水壓試驗(yàn)。驗(yàn)。日t3、鋼油罐常用材料及其性能：、鋼油罐常用材料及其性能：3）對于中型油罐（）對于中型油罐（ 2萬萬m3、3萬萬m3和和5萬萬m3）：）：罐壁下部，我國一般用罐壁下部，我國一般用16MnR，按強(qiáng)度條，按強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)壁厚。件設(shè)計(jì)壁厚。罐壁上部，我國一般用罐壁上部，我國一般用A3F ，按剛度條件，按剛度條件設(shè)計(jì)壁

36、厚。設(shè)計(jì)壁厚。4）在我國，對于）在我國，對于7萬和萬和10萬萬m3的大型油罐可的大型油罐可供選用的鋼板為供選用的鋼板為16MnR 或或15MnVR。對于。對于更大的油罐則需發(fā)展高強(qiáng)度的新鋼種。更大的油罐則需發(fā)展高強(qiáng)度的新鋼種。自學(xué)內(nèi)容：自學(xué)內(nèi)容：1 美國石油學(xué)會(huì)美國石油學(xué)會(huì)API650對油罐鋼材沖擊韌性的要求；對油罐鋼材沖擊韌性的要求；2 沸騰鋼的缺點(diǎn)和應(yīng)用限制條件。沸騰鋼的缺點(diǎn)和應(yīng)用限制條件。思考題：思考題：1 為什么鋼油罐的發(fā)展日趨大型化？為什么鋼油罐的發(fā)展日趨大型化？2 為什么立式油罐的高度隨罐容積的增加略有降低？為什么立式油罐的高度隨罐容積的增加略有降低？3 什么原因?qū)е路序v鋼的冷脆敏

37、感性強(qiáng)？什么原因?qū)е路序v鋼的冷脆敏感性強(qiáng)？課后要求課后要求油油 罐罐 及及 管管 道道 強(qiáng)強(qiáng) 度度 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) Strength Design Of Oil Tanks and Pipes 教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容第二章第二章 軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力及位移分析軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力及位移分析 2-1 回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征 2-2 軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力分析軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力分析 1、單元體力平衡方程、單元體力平衡方程 2、軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論、軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論 3、軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程、軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)1、掌握回轉(zhuǎn)薄殼

38、的基本概念、幾何特征以及、掌握回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念、幾何特征以及研究薄殼問題的基本假設(shè)；研究薄殼問題的基本假設(shè)；2、學(xué)會(huì)分析單元體的受力情況，并能列出相、學(xué)會(huì)分析單元體的受力情況，并能列出相應(yīng)的單元體力平衡方程；應(yīng)的單元體力平衡方程；3、掌握軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論平衡方、掌握軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論平衡方程及其適用范圍；程及其適用范圍；4、掌握軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程。、掌握軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程。 2-1 回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征 殼體：殼體：兩個(gè)曲面所限定的物體，且兩曲兩個(gè)曲面所限定的物體，且兩曲面間距比物體的其它幾何尺寸都小。面間距比物體的其

39、它幾何尺寸都小。 中面：中面：殼體厚度的中點(diǎn)所構(gòu)成的面，即殼體厚度的中點(diǎn)所構(gòu)成的面，即距殼體內(nèi)、外表面有同等距離的面。距殼體內(nèi)、外表面有同等距離的面。 壁厚：壁厚：殼體內(nèi)外表面間的法向距離。殼體內(nèi)外表面間的法向距離。一、基本概念一、基本概念 薄殼：薄殼：殼體厚度殼體厚度t遠(yuǎn)小于殼體中面的最小遠(yuǎn)小于殼體中面的最小曲率半徑曲率半徑R。設(shè)計(jì)上限定。設(shè)計(jì)上限定t/R1/20或或t/D1/10（D為殼體內(nèi)徑）。對于薄殼，一般用為殼體內(nèi)徑）。對于薄殼，一般用中面表示其幾何特征。中面表示其幾何特征。 回轉(zhuǎn)面：回轉(zhuǎn)面：由一條平面曲線環(huán)繞該平面內(nèi)某由一條平面曲線環(huán)繞該平面內(nèi)某一軸線旋轉(zhuǎn)而成的曲面。一軸線旋轉(zhuǎn)而成

40、的曲面。一、基本概念一、基本概念 回轉(zhuǎn)薄殼：回轉(zhuǎn)薄殼：以回轉(zhuǎn)面為中面的薄殼。以回轉(zhuǎn)面為中面的薄殼。 軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼：軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼：幾何形狀、載荷和約幾何形狀、載荷和約束條件都對稱于回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)薄殼。束條件都對稱于回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)薄殼。一、基本概念一、基本概念 回轉(zhuǎn)薄殼及幾何特征回轉(zhuǎn)薄殼及幾何特征母線母線經(jīng)線經(jīng)線經(jīng)線曲率經(jīng)線曲率半徑半徑r緯線緯線平行圓平行圓基準(zhǔn)基準(zhǔn)子午面子午面d法線法線rdsdsr經(jīng)線曲經(jīng)線曲率中心率中心緯線曲緯線曲率中心率中心緯線曲率緯線曲率半徑半徑r kyyk112/32 曲曲率率半半徑徑：曲曲率率：經(jīng)線曲率半經(jīng)線曲率半徑徑r緯線曲率半緯線曲率半徑徑r平行圓平行圓drdsds

41、rrh經(jīng)線曲經(jīng)線曲率中心率中心緯線曲緯線曲率中心率中心殼體平行圓半徑殼體平行圓半徑：sinrr 經(jīng)線的線素長度：經(jīng)線的線素長度：drds 中面微元線素長度及面素中面微元線素長度及面素 中面微元線素長度及面素中面微元線素長度及面素平行圓的線素長度：平行圓的線素長度：drrddssin故中面面素為：故中面面素為：ddrrdsdsdAsin r意義：意義：決定殼體的幾何形狀；決定殼體的幾何形狀； r意義意義：決定殼體的大?。粵Q定殼體的大??； 位置及長度：位置及長度：任一點(diǎn)處的任一點(diǎn)處的r和和r位于同位于同一直線上，但除球殼外，其它長度均不同。一直線上，但除球殼外，其它長度均不同。二、幾何特征二、幾何

42、特征2-1 回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征回轉(zhuǎn)薄殼的基本概念和幾何特征 對于幾何形狀較復(fù)雜的殼體，如橢球形殼，對于幾何形狀較復(fù)雜的殼體，如橢球形殼，一般根據(jù)經(jīng)線的曲線方程和高等數(shù)學(xué)的知識一般根據(jù)經(jīng)線的曲線方程和高等數(shù)學(xué)的知識計(jì)算出計(jì)算出r ，然后根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出，然后根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出r 。 kyyk112/32 曲曲率率半半徑徑：曲曲率率： r和和r的確定的確定 對于幾何形狀簡單的殼體，如球殼和圓柱對于幾何形狀簡單的殼體，如球殼和圓柱形殼等的形殼等的r和和r一般可由作圖法確定。一般可由作圖法確定。二、幾何特征二、幾何特征常見殼體的常見殼體的r 、 r 圓錐殼圓錐殼rcosRr式中，式中，R為

43、殼體上任一點(diǎn)的平行圓半徑，為殼體上任一點(diǎn)的平行圓半徑，為為經(jīng)線與回轉(zhuǎn)軸的夾角。經(jīng)線與回轉(zhuǎn)軸的夾角。二、幾何特征二、幾何特征 其中，其中，R為圓柱殼橫截面半徑。為圓柱殼橫截面半徑。 圓柱殼圓柱殼rRr 球殼球殼 其中，其中，R為球殼半徑。為球殼半徑。Rrr二、幾何特征二、幾何特征三、研究薄殼問題的基本假設(shè)三、研究薄殼問題的基本假設(shè)完全彈性體：完全彈性體：和和符合虎克定律，且材料連續(xù)、符合虎克定律，且材料連續(xù)、均勻和各向同性。均勻和各向同性。小位移：小位移：殼體受力后各點(diǎn)的位移都遠(yuǎn)小于壁厚。殼體受力后各點(diǎn)的位移都遠(yuǎn)小于壁厚。直線法：直線法：中面的法線變形前后保持為直線且中中面的法線變形前后保持為直

44、線且中面法線及其垂直線段之間的直角保持不變，即面法線及其垂直線段之間的直角保持不變，即該二方向的剪應(yīng)變?yōu)榱?。該二方向的剪?yīng)變?yōu)榱?。不擠壓：不擠壓：殼體各層纖維變形前后互不擠壓。殼體各層纖維變形前后互不擠壓。2-2 軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力分析軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的內(nèi)力分析 取微單元體；取微單元體； 受力分析（外力和內(nèi)力）；受力分析（外力和內(nèi)力）； 由經(jīng)、緯向及微元中心法向的靜力平衡條由經(jīng)、緯向及微元中心法向的靜力平衡條件列方程；件列方程； 整理簡化。整理簡化。一、有力矩理論基本方程的建立一、有力矩理論基本方程的建立yxzMMNNNN+ dNM+ dMMQQ+ dQrddP體素中心點(diǎn)體素中心點(diǎn)P為原點(diǎn)為原

45、點(diǎn)x-角增大切向?yàn)檎窃龃笄邢驗(yàn)檎齳-角增大切向?yàn)檎窃龃笄邢驗(yàn)檎齴-P點(diǎn)內(nèi)法向?yàn)檎c(diǎn)內(nèi)法向?yàn)檎缀涡螤钆c載荷的軸對稱薄殼幾何形狀與載荷的軸對稱四個(gè)截面上無扭矩、經(jīng)線截面上無剪力四個(gè)截面上無扭矩、經(jīng)線截面上無剪力 內(nèi)力分析（單位長度）內(nèi)力分析（單位長度）法向力法向力N和和N：若使單元體受拉，取為正；若使單元體受拉，取為正；反之若使單元體受壓，則為負(fù)。反之若使單元體受壓，則為負(fù)。彎矩彎矩M和和M：若使單元體向外撓曲（即增若使單元體向外撓曲（即增加曲率半徑），則為正；反之為負(fù)。加曲率半徑），則為正；反之為負(fù)。內(nèi)力的正負(fù)規(guī)定內(nèi)力的正負(fù)規(guī)定剪力剪力Q：若指向若指向z軸正方向而其所作用截面的軸正方向

46、而其所作用截面的外法線指向外法線指向x軸的正方向，或軸的正方向，或Q指向指向z軸的負(fù)軸的負(fù)方向，而其所作用截面的外法線亦指向方向，而其所作用截面的外法線亦指向x軸的軸的負(fù)方向時(shí)，則負(fù)方向時(shí)，則Q為正。為正。yxzMMNNNN+ dNM+ dMMQQ+ dQrddPZ0同一緯線上各點(diǎn)位移相同，單元體上無扭剪力。同一緯線上各點(diǎn)位移相同，單元體上無扭剪力。緯向應(yīng)力（緯向應(yīng)力（kgf/cm2）：取決于）：取決于N（kgf /cm）經(jīng)向應(yīng)力經(jīng)向應(yīng)力（kgf/cm2） ：取決于：取決于N （kgf /cm）z法向剪應(yīng)力：取決于法向剪應(yīng)力：取決于Q主要內(nèi)力相應(yīng)的應(yīng)力主要內(nèi)力相應(yīng)的應(yīng)力 abcd和和efgh截

47、面上截面上drNdSNdrMdSM體素截面上的內(nèi)力體素截面上的內(nèi)力 adeh截面上截面上drNrdNdSNsindrQrdQdSQsindrMrdMdSMsin剪剪 力：力：彎彎 矩：矩：法向力：法向力：彎彎 矩：矩：法向力：法向力： bcfg截面上截面上dddrNddrNdSNddSNsinsinddrNdrNsinsin剪力：剪力：ddrQdrQsinsin體素截面上的內(nèi)力體素截面上的內(nèi)力ddrMdrMsinsin彎矩：彎矩：法向力：法向力： 外力外力q：單位面積上的外載：單位面積上的外載 面力：氣、液壓面力：氣、液壓 體力：重力體力：重力 外力的分解外力的分解 qx(沿沿x軸正向軸正向)

48、、qy(沿沿y軸正向軸正向)、 qz(沿沿z軸軸正向正向)軸對稱薄殼體素的外力分析軸對稱薄殼體素的外力分析 當(dāng)薄殼受自重作用時(shí)，作用在中面當(dāng)薄殼受自重作用時(shí)，作用在中面kimn上的載上的載荷荷q可分解為沿可分解為沿x軸上的載荷軸上的載荷qx和垂直于面素即和垂直于面素即z軸上的載荷軸上的載荷qz。x軸分力：軸分力：ddrrqdSdSqdAqxxxsinz軸分力：軸分力：ddrrqdSdSqdAqzzzsin體素上的外力分解體素上的外力分解（1）外力）外力q在在z軸方向的分力軸方向的分力ddrrqdAqzzsinz軸方向上的受力分析軸方向上的受力分析ddrNdrdNsinsin22dS（2）經(jīng)線力

49、）經(jīng)線力N在在z軸方向的分力軸方向的分力drdNsin dS（3）圓周力）圓周力N在在z軸方向的分力軸方向的分力ddrQdrQdrQsinsinsinddrQsinz軸方向上的受力分析軸方向上的受力分析（4）剪力）剪力Q在在z軸方向的分力軸方向的分力 bcfg截面與截面與adeh截面上的剪力在截面上的剪力在z軸上的軸上的投影，即分別乘以投影，即分別乘以cos(d/2)1，亦即：，亦即：體素經(jīng)線截面上的內(nèi)力分解體素經(jīng)線截面上的內(nèi)力分解z體素緯線截面上的內(nèi)力分解體素緯線截面上的內(nèi)力分解單元體的力平衡方程單元體的力平衡方程 據(jù)據(jù)Fz=0，可得單元體在，可得單元體在z軸上的平衡方程：軸上的平衡方程：d

50、drNddrQsinsin0sinsinddrrqddrNz（2-9）1220sinsinsinsinrrqrNrNrQz 方程兩端同時(shí)除以方程兩端同時(shí)除以 得：得：dd單元體的力平衡方程單元體的力平衡方程1120sinsincossinrrqrQrNrNx 同理，據(jù)同理，據(jù)Fx=0與與Fy=0 ，可得單元體在，可得單元體在x軸與軸與y軸上軸上的平衡方程：的平衡方程：1320sincossinrrQrMrM 式（式（2-1113）即為殼體內(nèi)力分析的基本方程，含）即為殼體內(nèi)力分析的基本方程，含5個(gè)個(gè)未知數(shù)，尚需補(bǔ)充兩個(gè)位移方程才能求解。未知數(shù)，尚需補(bǔ)充兩個(gè)位移方程才能求解。 注意：注意：qx與與

51、qz均為外載（自重）均為外載（自重）q沿沿X軸與軸與y軸正向的軸正向的分力，若二者實(shí)際方向相反，則必須帶分力，若二者實(shí)際方向相反，則必須帶“”號。號。二、無力矩區(qū)域平衡方程的建立二、無力矩區(qū)域平衡方程的建立 取隔離體；取隔離體； 隔離體在回轉(zhuǎn)軸方向上的受力分析；隔離體在回轉(zhuǎn)軸方向上的受力分析； 由回轉(zhuǎn)軸方向上的靜力平衡條件列方程；由回轉(zhuǎn)軸方向上的靜力平衡條件列方程； 整理簡化。整理簡化。 無力矩理論的引入及其假定；無力矩理論的引入及其假定； 軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼中的彎矩很小，忽略后可軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼中的彎矩很小，忽略后可以使殼體的應(yīng)力分析大大簡化。忽略彎矩的以使殼體的應(yīng)力分析大大簡化。忽略彎矩的殼體理

52、論稱為殼體理論稱為無力矩理論無力矩理論，亦稱薄膜理論。，亦稱薄膜理論。殼體問題按無力矩理論所得到的解答稱為薄殼體問題按無力矩理論所得到的解答稱為薄膜解。膜解。軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論 基本假設(shè)：假定整個(gè)薄殼的所有橫截面上基本假設(shè)：假定整個(gè)薄殼的所有橫截面上都沒有彎矩，即都沒有彎矩，即M=M=0，故，故Q0（如果（如果Q0，則，則 Q和和QdQ一定會(huì)產(chǎn)生彎矩）。一定會(huì)產(chǎn)生彎矩）。軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩假設(shè)軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩假設(shè) 沿殼體上任沿殼體上任意平行圓（半意平行圓（半徑為徑為R）正截）正截殼體，取其中殼體，取其中一部分作為研一部分作為研究對象，如右究對象，如右

53、圖所示。圖所示。取隔離體及其受力分析取隔離體及其受力分析RNdQdrr dlZrpQ1Q2ONN2假設(shè)以回轉(zhuǎn)軸假設(shè)以回轉(zhuǎn)軸oz為正方向，則：為正方向，則：（1）外載在）外載在oz方向上的合力為：方向上的合力為：式中：式中： Q1殼體自重在殼體自重在oz方向的投影；方向的投影； Q2載荷在載荷在oz方向的投影。方向的投影。21QQQ外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力在隔離體上取在隔離體上取dl長長的一個(gè)微元環(huán)，其的一個(gè)微元環(huán)，其半徑為半徑為r，則：，則：pdQ2在在oz上的投影為：上的投影為：drrpdldrpdlrQddQ 22cos22對于對于Q2的計(jì)算：的計(jì)算：pdlrQd22外力在

54、回轉(zhuǎn)軸上的合力外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力如果載荷為氣體，即如果載荷為氣體，即p = Constant，則：，則：pRQ22如果載荷為液體，如圖所示，則：如果載荷為液體，如圖所示，則：zHgpRdrzHgrQ022RrpdrQ022外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力當(dāng)殼體為開式，如圖所示，則：當(dāng)殼體為開式，如圖所示，則：RRrpdrQ022外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力外力在回轉(zhuǎn)軸上的合力（2）內(nèi)力）內(nèi)力N在在oz方向的投影為：方向的投影為：sin2cosNNNRtRtN22sin2 RtN而而內(nèi)力在回轉(zhuǎn)軸上的合力內(nèi)力在回轉(zhuǎn)軸上的合力據(jù)據(jù) ，即，即 ，則：，則： 0zF0NQ0sin2201RRRtrpd

55、rQsin2sin222110RtQQRtrpdrQRR 此即軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩區(qū)域平衡方程，此即軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩區(qū)域平衡方程，它反映了外載與內(nèi)力在回轉(zhuǎn)軸上的平衡。它反映了外載與內(nèi)力在回轉(zhuǎn)軸上的平衡。軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的區(qū)域平衡方程三、無力矩體素平衡方程的建立三、無力矩體素平衡方程的建立 取微單元體取微單元體ds ds； 微元體外法線方向上的外力分析；微元體外法線方向上的外力分析； 經(jīng)、緯向力在微元體外法線方向上的分力；經(jīng)、緯向力在微元體外法線方向上的分力； 由微元體外法線方向上的靜力整理簡化。由微元體外法線方向上的靜力整理簡化。d 內(nèi)力分析（單位長度）內(nèi)力分

56、析（單位長度）dsds abcd和和efgh截面上截面上drNdSN體素截面上的內(nèi)力體素截面上的內(nèi)力 adeh截面上截面上drNrdNdSNsin bcfg截面上截面上ddrNdrNdddrNddrNdSNddSNsinsinsinsin（1）外力）外力q在在z軸方向的分力（外法線方向?yàn)檎┹S方向的分力（外法線方向?yàn)檎ヾdrrqdAqzzsinz軸方向上的受力分析軸方向上的受力分析ddrNdrdNsinsin22dS（2-6）drdNsindS（2-2）（2）經(jīng)線力）經(jīng)線力N在在z軸方向的分力軸方向的分力（3）圓周力）圓周力N在在z軸方向的分力軸方向的分力單元體的力平衡方程單元體的力平衡方程

57、 據(jù)據(jù)Fz=0，可得單元體在，可得單元體在z軸上的平衡方程：軸上的平衡方程：0sinsinsinddrrqddrNddrNz0rrqrNrNz 方程兩端同時(shí)除以方程兩端同時(shí)除以 得：得：dd無力矩理論的體素平衡方程無力矩理論的體素平衡方程 事實(shí)上，根據(jù)無力矩假定及有矩理論的殼體基事實(shí)上，根據(jù)無力矩假定及有矩理論的殼體基本方程中式（本方程中式（2-12）：）：zqrNrN（2-28）zqrNrN請問兩式右端為何存在請問兩式右端為何存在“”的差異？的差異？1220sinsinsinsinrrqrNrNrQz不難得出：不難得出：整理得：整理得：無力矩理論的體素平衡方程無力矩理論的體素平衡方程（2-2

58、8）tprr 式（式（2-28）稱為軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論的體）稱為軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論的體素平衡方程，它表明了外力和內(nèi)力在殼體法線方向上素平衡方程，它表明了外力和內(nèi)力在殼體法線方向上的平衡。的平衡。 然而，軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼沿外法線方向上的外載多然而，軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼沿外法線方向上的外載多用用p表示，故上列兩公式對應(yīng)的應(yīng)力方程為：表示，故上列兩公式對應(yīng)的應(yīng)力方程為：無力矩體素平衡方程的補(bǔ)充說明無力矩體素平衡方程的補(bǔ)充說明 p為連續(xù)分布的軸對稱載荷，且其方向以沿為連續(xù)分布的軸對稱載荷，且其方向以沿殼體外法線方向?yàn)檎?，反之為?fù)。殼體外法線方向?yàn)檎?，反之為?fù)。 表示經(jīng)向應(yīng)力，表示經(jīng)向應(yīng)力，表示緯向

59、應(yīng)力，亦稱周表示緯向應(yīng)力，亦稱周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力。若向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力。若r，則，則 恒大于恒大于 ，于是可直接由式（，于是可直接由式（ 2-28 ）計(jì)算出）計(jì)算出 ，并以此作強(qiáng)度設(shè)計(jì)或強(qiáng)度校核。并以此作強(qiáng)度設(shè)計(jì)或強(qiáng)度校核。 幾何形狀：幾何形狀：薄殼應(yīng)具有連續(xù)曲面，殼體形狀薄殼應(yīng)具有連續(xù)曲面，殼體形狀如曲率和壁厚無突變。如曲率和壁厚無突變。 加載方式：加載方式：薄殼所受載荷應(yīng)連續(xù)分布，且無薄殼所受載荷應(yīng)連續(xù)分布，且無任何突變，更不能有集中載荷。任何突變，更不能有集中載荷。無力矩體素平衡方程的適用條件無力矩體素平衡方程的適用條件 邊界條件：邊界條件：殼體邊界固定形式應(yīng)是自由支承殼體邊界固定形式應(yīng)是

60、自由支承的（當(dāng)邊界上法向位移和轉(zhuǎn)角受到約束，在的（當(dāng)邊界上法向位移和轉(zhuǎn)角受到約束，在載荷作用下勢必引起殼體彎曲）。載荷作用下勢必引起殼體彎曲）。 由此可見，薄殼無力矩狀態(tài)的存在必須滿由此可見，薄殼無力矩狀態(tài)的存在必須滿足足殼體幾何形狀、材料和載荷的連續(xù)性殼體幾何形狀、材料和載荷的連續(xù)性，同時(shí)，同時(shí)須保證須保證殼體具有自由邊界殼體具有自由邊界。當(dāng)這些條件之一不。當(dāng)這些條件之一不能滿足時(shí)，則不能應(yīng)用無力矩理論分析殼體的能滿足時(shí)，則不能應(yīng)用無力矩理論分析殼體的受力情況。受力情況。無力矩體素平衡方程的適用條件無力矩體素平衡方程的適用條件 計(jì)算殼體幾何特征計(jì)算殼體幾何特征r、r； 取隔離體建立區(qū)域平衡方