圆筒内压计算课件.pptx
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- 圆筒 计算 课件
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1、一、薄壁容器设计的理论基础一、薄壁容器设计的理论基础薄壁容器薄壁容器 根据容器外径根据容器外径D DOO与内径与内径D Di i的的比值比值K K来判断,来判断,iiiiDDDDDK2120当当K1.2K1.2为薄壁容器为薄壁容器 K K1.21.2则为厚壁容器则为厚壁容器圆筒形薄壁容器承受内压时圆筒形薄壁容器承受内压时的应力的应力只有拉应力无弯曲只有拉应力无弯曲“环向纤维环向纤维”和和“纵向纤维纵向纤维”受受到拉力。到拉力。s s1 1(或(或s s轴轴)圆筒母)圆筒母线方向线方向( (即轴向即轴向) )拉拉应力,应力,s s2 2(或(或s s环环)圆周方)圆周方向的拉应力。向的拉应力。圆
2、筒的应力计算圆筒的应力计算 1. 1. 轴向应力轴向应力D D- -筒体平均直径,亦筒体平均直径,亦称中径,称中径,mmmm;ss404112pDDDp2. 2. 环向应力环向应力ss20222pDlpDl分析:分析:(1 1)薄壁圆筒受内压环向应力是轴)薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。向应力两倍。问题问题a a:筒体上开椭圆孔,如何开:筒体上开椭圆孔,如何开ss2/24/pDpD应使其短轴与筒体的应使其短轴与筒体的轴线平行,以尽量减轴线平行,以尽量减少开孔对纵截面的削少开孔对纵截面的削弱程度,使环向应力弱程度,使环向应力不致增加很多。不致增加很多。分析:分析:问题问题b b:钢板卷制圆
3、筒:钢板卷制圆筒形容器,纵焊缝与环形容器,纵焊缝与环焊缝哪个易裂?焊缝哪个易裂?ss2/24/pDpD筒体纵向焊缝受力大于筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝,故纵焊缝易环向焊缝,故纵焊缝易裂,施焊时应予以注意。裂,施焊时应予以注意。(2 2)分析式)分析式(4-1)(4-1)和和(4-2)(4-2)也可知,也可知,ss2/24/pDpDDp/2/s内压筒壁的应力和内压筒壁的应力和 / /D D成反比,成反比, / /D D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低。值的大小体现着圆筒承压能力的高低。因此,分析一个设备能耐多大压力,因此,分析一个设备能耐多大压力,不能只看厚度的绝对值。不能只看厚度的绝对值。二
4、、无力矩理论基本方程式二、无力矩理论基本方程式 基本概念与基本假设基本概念与基本假设 1 1 基本概念基本概念 (1 1) 旋转壳体旋转壳体 :壳体中面(等分壳壳体中面(等分壳体厚度)是任意直线或平面曲线作体厚度)是任意直线或平面曲线作母线,绕其同平面内的轴线旋转一母线,绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。周而成的旋转曲面。(2 2) 轴对称轴对称壳体的几何形状、约束条件和壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。所受外力都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对化工用的压力容器通常是轴对称问题。称问题。 (3 3)旋转壳体的几何概念)旋转壳体的几何概念 母线与经线母线与经线
5、法线、平行圆法线、平行圆第一曲率半径:第一曲率半径:经线曲率半径经线曲率半径第二曲率半径:第二曲率半径:垂直于经线的垂直于经线的平面与中面相平面与中面相割形成的曲线割形成的曲线BEBE的曲率半径的曲率半径2 2 基本假设基本假设 假定壳体材料有连续性、均匀性和假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性,即壳体是完全弹性的。各向同性,即壳体是完全弹性的。(1)(1)小位移假设小位移假设 各点位移都远小于厚度。可用变形各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。高阶微量可忽略。 2 2 基本假设基本假设(2)(2)直线法假设直线法假设
6、变形前垂直于中面直线段,变形后变形前垂直于中面直线段,变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同,厚度不变。点法向位移相同,厚度不变。 (3)(3)不挤压假设不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。各层纤维变形前后互不挤压。 无力矩理论基本方程式无力矩理论基本方程式 无力矩理论是在旋转薄壳的受无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。力分析中忽略了弯矩的作用。此时应力状态和承受内压的薄此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论膜相似。又称薄膜理论cos21kpr (4-34-3
7、)平衡方平衡方程程(4-44-4)区区域平衡方程域平衡方程 无力矩理论基本方程式:无力矩理论基本方程式:sspRR2211三、基本方程式的应用三、基本方程式的应用1 1圆筒形壳体圆筒形壳体 第一曲率半径第一曲率半径R R1 1=,第二曲率半径第二曲率半径R R2 2=D D/2/2 代入方程(代入方程(4-34-3)和()和(4-44-4)得:得: 与式(与式(4-14-1)、()、(4-24-2)同。)同。cos21kpr sspRR2211ss2 421pDpD2 2球形壳体球形壳体 球壳球壳R R1 1R R2 2=D D/2/2,得:,得: 直径与内压相同,球壳内应力仅是直径与内压相同
8、,球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半,即球形圆筒形壳体环向应力的一半,即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。 当容器容积相同时,球表面积最小,当容器容积相同时,球表面积最小,故大型贮罐制成球形较为经济。故大型贮罐制成球形较为经济。 制造制造cos21kpr sspRR2211 421sspD3 3圆锥形壳体圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为圆锥形壳半锥角为 ,A A点处半径为点处半径为r r,厚度为,厚度为d d,则,则在在A A点处:点处:代入(代入(4-34-3)、()、(4-44-4)可得)可得A A点处的点处的应力:应力:cos 21rRR , (4-6
9、) 锥形壳体环向应力是经向应力两倍,锥形壳体环向应力是经向应力两倍,随半锥角随半锥角a a的增大而增大;的增大而增大; 角要选择合适,不宜太大。角要选择合适,不宜太大。 在锥形壳体大端在锥形壳体大端r r=R R时,应力最大,时,应力最大,在锥顶处,应力为零。因此,一般在在锥顶处,应力为零。因此,一般在锥顶开孔。锥顶开孔。 scos21kpr cos2skpr4 4椭圆形壳体椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆,椭圆壳经线为一椭圆,a a、b b分别为椭圆的长短轴半径。分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为:由此方程可得第一曲率半径为:12222byaxbabaxadxyddxdyR42
10、/32224222/321)()(1 bbaxaxR2/122242)(sin (4-7) )(2 )(2)(2222442224222241baxaabaxabpbaxabpss化工常用标准椭圆形封头,化工常用标准椭圆形封头,a/b=2,故,故 顶点处顶点处: 边缘处:边缘处: 顶点应力最大,经向应力与顶点应力最大,经向应力与环向应力是相等的拉应力。环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍;经向应力大一倍;顶点处的环向应力和边缘处顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。相等但符号相反。 应力值连续变化。应力值连续变化。sspa21sspapa2
11、12 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析受液体静压的圆筒形壳体的受力分析 筒壁上任一点的压力值(不考虑气体筒壁上任一点的压力值(不考虑气体压力)为:压力)为: 根据式(根据式(4-34-3)(4-44-4)可得:)可得:ghps22ghDss2 421pDpDv 底部支承的圆筒(底部支承的圆筒(a a),液体重量),液体重量由支承传递给基础,筒壁不受液体轴由支承传递给基础,筒壁不受液体轴向力作用,则向力作用,则s s1 1=0=0。v 上部支承圆筒(上部支承圆筒(b b),液体重量使),液体重量使得圆筒壁受轴向力作用,在圆筒壁上得圆筒壁受轴向力作用,在圆筒壁上产生经向应力:产生经向应力:ss42
12、2121gHDgHRgHRR例题例题4-14-1:有一外径为:有一外径为219mm219mm的氧气瓶,的氧气瓶,最小厚度为最小厚度为6.5mm6.5mm,材料为,材料为40Mn2A40Mn2A,工作压力为工作压力为15MPa15MPa,试求氧气瓶壁应力,试求氧气瓶壁应力解析:解析:平均直径平均直径 mmmm经向应力经向应力 MPaMPa环向应力环向应力 MPaMPa5 .2125 .62190DD6 .1225 . 645 .2121541spD2 .2455 . 625 .2121522spD四、筒体强度计算四、筒体强度计算实际设计中须考虑三个因素:实际设计中须考虑三个因素:(1)焊接接头系
13、数)焊接接头系数(2)容器内径)容器内径(3) 壁厚壁厚 筒体内较大的环向应力不筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料应高于在设计温度下材料的许用应力,即的许用应力,即 s s t t- -设计温度设计温度tt下材料许用应力,下材料许用应力,MPaMPa。tpD2s 焊接接头系数焊接接头系数钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷,导致焊缝及其附近区域强等缺陷,导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。度可能低于钢材本体的强度。 钢板钢板 s s t t乘以焊接接头系数乘以焊接接头系数 , 11 stpD2 容器内径容器内径工艺设计确定内径工艺设计确定内径D
14、Di i,制造测,制造测量也是内径,而受力分析中的量也是内径,而受力分析中的D D却却是中面直径。是中面直径。解出解出 ,得到内压圆筒的厚度计算式,得到内压圆筒的厚度计算式stiDp2)( ppDtis2 壁厚壁厚考虑介质腐蚀,计算厚度考虑介质腐蚀,计算厚度 的的基础上,增加腐蚀裕度基础上,增加腐蚀裕度C C2 2。筒体。筒体的设计厚度为的设计厚度为式中式中 - -圆筒计算厚度,圆筒计算厚度, mmmm; d d- -圆筒设计厚度,圆筒设计厚度, mmmm; D Di i- -圆筒内径,圆筒内径, mmmm; p p- -容器设计压力,容器设计压力, MPaMPa; - -焊接接头系数。焊接接
15、头系数。 22CppDtids ppDtis2另一种情况:另一种情况:筒体设计厚度加上厚度负偏差后筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整,即为筒体名义厚度。向上圆整,即为筒体名义厚度。对于已有的圆筒,测量厚度为对于已有的圆筒,测量厚度为 n n,则其最大许可承压的计算公式为:则其最大许可承压的计算公式为:式中式中 : n n- -圆筒名义厚度圆筒名义厚度 圆整成钢材标准值;圆整成钢材标准值; eietnintDCDCpss221Cdn e e- -圆筒有效厚度圆筒有效厚度C-C-厚度附加量厚度附加量。 设计温度下圆筒的计算应力设计温度下圆筒的计算应力 ssteeictDp2Cne21CCC五、球
16、壳强度计算五、球壳强度计算设计温度下球壳的计算厚度:设计温度下球壳的计算厚度:设计温度下球壳的计算应力设计温度下球壳的计算应力 ssteeictDp4 ppDti4六、设计参数六、设计参数厚度设计参数按厚度设计参数按GBl50-1998GBl50-1998中规中规定取值。定取值。 设计压力、设计压力、 设计温度、设计温度、 许用应力、许用应力、 焊接接头系数焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。厚度附加量等参数的选取。 22CppDtids1Cdn设计压力(计算压力)设计压力(计算压力)设计压力设计压力: :相应设计温度下确定壳相应设计温度下确定壳壁厚度的压力,亦即标注在铭牌壁厚度的压力,亦即
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