内压薄壁圆筒与封头的强度设计.ppt
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- 薄壁 圆筒 强度 设计
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1、1第四章第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计教学重点:教学重点:内压薄壁圆筒的厚度计算内压薄壁圆筒的厚度计算 教学难点:教学难点:厚度的概念和设计参数的确定厚度的概念和设计参数的确定21.1.根据薄膜理论进行应力分析,确定薄膜应力状态下根据薄膜理论进行应力分析,确定薄膜应力状态下的主应力的主应力2.2.根据弹性失效的设计准则,应用强度理论确定应力根据弹性失效的设计准则,应用强度理论确定应力的强度判据的强度判据3.3.对于封头,考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影对于封头,考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响,按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系响,按壳体中的应力状
2、况在公式中引进应力增强系数数4.4.根据应力强度判据,考虑腐蚀等实际因素导出具体根据应力强度判据,考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。的计算公式。内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程3 容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点,容器即告失效点,容器即告失效(失去正常的工作能力失去正常的工作能力),也就是说,容,也就是说,容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。器的每一部分必须处于弹性变形范围内。保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服
3、点。屈服点。第一节强度设计的基本知识第一节强度设计的基本知识一、关于弹性失效的设计准则一、关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论、弹性失效理论s 当当4为了保证结构安全可靠地工作,必须留有一定的安为了保证结构安全可靠地工作,必须留有一定的安全裕度,使结构中的最大工作应力与材料的许用应全裕度,使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系,即力之间满足一定的关系,即 n0当=0当n 相当应力,相当应力,MPa,可由强度理论确定可由强度理论确定 极限应力,极限应力,MPa,可由简单拉伸试验确定可由简单拉伸试验确定 安全裕度安全裕度 许用应力许用应力,MPa2、强度安全条件、强度安全条件5
4、 42pDm 21pD 03r径向应力径向应力二、强度理论及其相应的强度条件二、强度理论及其相应的强度条件1、薄壁压力容器的应力状态、薄壁压力容器的应力状态图图4-1 应力状态应力状态1 03 1 2 2 6第一强度理论第一强度理论(最大主应力理论)(最大主应力理论)第三强度理论第三强度理论(最大剪应力理论)(最大剪应力理论)21pDI当强度条件强度条件 2pDI当 231pDIII当强度条件强度条件 2pDIII当适用于适用于脆性材料脆性材料适用于适用于塑性材料塑性材料2、常用强度理论、常用强度理论7第四强度理论第四强度理论(能量理论)(能量理论)2.3 21)()()(2121222121
5、3232221pDIV当强度条件强度条件 3.2pDIV当适用于适用于塑性材料塑性材料第二强度理论(最大变形理论)与实际相差较大,目前很少采用。第二强度理论(最大变形理论)与实际相差较大,目前很少采用。压力容器材料都是塑性材料,应采用三、四强度理论压力容器材料都是塑性材料,应采用三、四强度理论,GB150-98采用第三强度理论采用第三强度理论.8 2pDIII当 tpD2iDD考虑实际情况,考虑实际情况,引入引入pc等参数等参数 cticpDp2 22CpDpcticd考虑介质考虑介质腐蚀性腐蚀性考虑钢板厚度考虑钢板厚度负偏差并圆整负偏差并圆整n第二节内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计第二节内压
6、薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计一、强度设计公式一、强度设计公式1、内压薄壁圆筒、内压薄壁圆筒9强度校核公式强度校核公式最大允许工作压力计算公式最大允许工作压力计算公式 eietnintwDCDCp22 2)(teeictDp1、当筒体采用无缝钢管时,应将式中的、当筒体采用无缝钢管时,应将式中的Di换为换为D02、以上公式的适用范围为、以上公式的适用范围为3、用第四强度理论计算结果相差不大、用第四强度理论计算结果相差不大tcp 4.010421pD cticpDp4 24CpDpcticd 4)(teeictDp eietwDp4公式的适用范围为公式的适用范围为tcp 6.02、内压球形壳体、内压
7、球形壳体11工作压力工作压力 指在正常工作情况下,容器顶部可能达到的指在正常工作情况下,容器顶部可能达到的最高压力。最高压力。设计压力设计压力 指设定的容器顶部的最高压力,它与相应设指设定的容器顶部的最高压力,它与相应设计温度一起作为设计载荷条件,其值不低于计温度一起作为设计载荷条件,其值不低于工作压力。工作压力。计算压力计算压力 指在相应设计温度下,用以确定壳体各部位指在相应设计温度下,用以确定壳体各部位厚度的压力,其中包括液柱静压力。厚度的压力,其中包括液柱静压力。计算压力计算压力pc=设计压力设计压力p+液柱静压力液柱静压力 二、设计参数的确定二、设计参数的确定1、压力、压力12表表4-
8、1 设计压力与计算压力的取值范围设计压力与计算压力的取值范围计算带夹套部分的容器时,应考虑在正常操作情况下可能计算带夹套部分的容器时,应考虑在正常操作情况下可能出现的内外压差出现的内外压差夹套容器夹套容器7当有安全阀控制时,取当有安全阀控制时,取1.25倍的内外最大压差与倍的内外最大压差与0.1Mpa两两者中的较小值,当没有安全控制装置时,取者中的较小值,当没有安全控制装置时,取0.1Mpa真空容器真空容器6取不小于在正常操作情况下可能产生的内外最大压差取不小于在正常操作情况下可能产生的内外最大压差外压容器外压容器5根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定(设置在根据容器的充装系数和可能达到
9、的最高温度确定(设置在地面的容器可按不低于地面的容器可按不低于40,如,如50 、60 时的气体压力时的气体压力考虑)考虑)装有液化气体的容装有液化气体的容器器4根据不同形式爆破片的最低标定爆破压力确定(通常可取根据不同形式爆破片的最低标定爆破压力确定(通常可取1.11.7pw)容器内有爆炸性介容器内有爆炸性介质,装有防爆膜时质,装有防爆膜时3取等于或略高于最高工作压力,通常取取等于或略高于最高工作压力,通常取p1.01.1pw单个容器不要装安单个容器不要装安全泄放装置全泄放装置2取不小于安全阀的初始起跳压力,通常取取不小于安全阀的初始起跳压力,通常取p1.051.1pw容器上装有安全阀容器上
10、装有安全阀时时1设计压力(设计压力(P)取值)取值类型类型13指容器在正常工作情况下,在相应的设指容器在正常工作情况下,在相应的设计压力下,设定的元件的金属温度(沿计压力下,设定的元件的金属温度(沿元件金属截面厚度的温度平均值)。元件金属截面厚度的温度平均值)。设计温度是设计温度是选择材料选择材料和和确定许用应力确定许用应力时时不可少的参数。不可少的参数。2、设计温度、设计温度14nt0(1)极限应力)极限应力极限应力的选取与结构的使极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关用条件和失效准则有关0极限应力可以是极限应力可以是tntDttssb、)()(2.02.0许用应力是以材料的各项强许用
11、应力是以材料的各项强度数据为依据,合理选择安度数据为依据,合理选择安全系数全系数n n得出的。得出的。3、许用应力和安全系数、许用应力和安全系数15常温容器常温容器 中温容器中温容器 高温容器高温容器 =minbbn,ssn2.0 t=minsttsbtbnn2.0,t=minDtDntnsttsnnn,2.0 16(2)安全系数)安全系数安全系数是一个不断发展变化的参数。安全系数是一个不断发展变化的参数。随着科技发展,安全系数将逐渐变小。随着科技发展,安全系数将逐渐变小。常温下,碳钢和低合金钢常温下,碳钢和低合金钢)(),(6.15.1 0.32.7sbnn表表4-2 钢材的安全系数钢材的安
12、全系数1.01.51.52.7高合金钢高合金钢1.01.51.5(1.6)2.7(3.0)碳钢素、低合金钢碳钢素、低合金钢设计温度经下经设计温度经下经10万万小时蠕变率为小时蠕变率为1%的蠕的蠕变极限变极限设计温度下经设计温度下经10万万小时断裂的持久强小时断裂的持久强度的平均值度的平均值常温或设计温度下常温或设计温度下的屈服点的屈服点 ()或或常温下最低抗拉强常温下最低抗拉强度度nnnDnsnb材料材料安全系数安全系数s 2.0 ts)(2.0t tD tn b 17焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊质量。焊接接头系数的大小决定
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