【教学课件】第四章压力容器设计CHAPTERⅣDesig.ppt
1,第 四 章 压力容器设计 CHAPTER Design of Pressure Vessels,4.4 分析设计,2,4.1 概述 4.2 设计准则 4.3 常规设计 4.4 分析设计 4.5 疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展,4.4.3 应力强度计算,4.4.4 应力强度限制,4.4.5 分析设计的应用,4.4.2 压力容器的应力分类,4.4.1 概述,3,过程设备设计,4.4 分析设计,4,过程设备设计,4.4.1 概述,一、常规设计局限性：,未对容器整体的各处应力作确切的数值计算，且所采用的应力 限制条件并未区分应力性质，而是采用统一强度限制条件。,2.只考虑一次施加的静载，没有考虑疲劳寿命问题和热应力，因而不能确切反映不同性质的应力对容器失效所引起的 不同影响。,3.无法校核容器的疲劳寿命。,4.仅靠采用 或 办法控制材料在弹性范围内是不合理的,也是不现实的，有时甚至起到相反作用。,5.规定了具体的容器结构形式，无法应用于规范中未包含的其它 容器结构和载荷形式，不利于新型设备的开发和使用。,提出新的设计观点应力分析设计方法,5,二、分析设计的基本思想,缺点：计算工作量大，对材料性能、焊缝检验和容器操作运行 更加严格的要求。,过程设备设计,6,过程设备设计,三、容器的载荷与应力对失效的影响,7,过程设备设计,8,过程设备设计,四、应力分析法主要特点：,1.目的:提高容器安全可靠性 省材,2.基础出发点:区分应力不同性质，采用不同的强度条件 加以限制。,3.强度判据:采用最大剪应力理论（第三强度理论）作为判据,4.采用较高的许用应力:,提高有效载荷,5.给出防止疲劳失效的设计方法及相应的设计曲线。,五、应力分析法基础:,弹性与塑性应力分析,2.应力分类,3.对材料、制造、检验更严格的要求。,4.严格质量控制。,9,过程设备设计,4.4.2 容器的应力分类,、一次应力P,定义:由外载（压力和其它机械载荷）在容器中产生的应力（正应力或剪应力）,特点:1）满足外载内力平衡2）非自限：载荷,包括:,10,过程设备设计,弯曲应力(Pb),特点:沿呈线性分 布/总体范围/内外表面屈服 后,若载荷升高，应力沿厚度分布 重新调整,危害小;限制宽例:平封头中心部位 由pi引起的应力,薄膜应力(P),总体(Pm),局部(PL),特点:存在于总体范围内/沿均布/危害最大/限制条件严例:薄壁 厚壁,特点:存在于局部范围;沿均布;危害较小;限制条件宽例:pi在不连续区产生 的薄膜应力;结构不连续效应 薄膜应力;,11,过程设备设计,、二次应力Q：,定义:由容器自身或相邻部件约束产生的正应力或剪应力,特点:1）满足变形协调条件 2）具有自限性：,局部屈服相邻部分约束缓解 变形协调、变形不再继续增大。所以危害更小/限制变宽,例:1）总体不连续处弯曲应力(),2）总体,12,、峰值应力F,定义:由局部结构不连续和局部热应力引起的而叠加到一次 加二次应力之上的应力增量。,特点:1)高度局部性，与筒体一个数量级,2)沿非线性分布，不会引起整个结构的明显变形。,3)是导致疲劳破坏、脆性断裂的可能根源限制较严,4)一般设计中不考虑，只有在疲劳分析中才加以限制。,例:1)局部不连续总应力中扣除一次和二次应力后的剩余部分。,例:平板开孔受均匀拉伸,2)结构的小热点处(如加热蛇管、容器壳壁连接处)的热应力。,过程设备设计,13,过程设备设计,注意:只有韧性较高的材料,允许出现局部塑变,上述分类才有意义(即应力分类的前提条件是材料为塑性材料);若是脆性材料,P和Q影响没有明显不同,应力分类就没有意义;压缩应力主要与容器稳定性有关，也不需分类。,压力容器典型部位的应力分类：见表4-15,14,过程设备设计,1.应力强度,应力强度:最大主应力与最小主应力之差,(1)一次总体薄膜应力强度 S(Pm),(2)一次局部薄膜应力强度 S(PL),(3)一次薄膜(总体或局部)加一次弯曲应力强度S(PL+Pb),(4)一次加二次应力强度 S(PL+Pb+Q),(5)峰值应力强度S(PL+Pb+Q+F),4.4.3 应力强度计算,15,过程设备设计,2.应力强度计算步骤,各类同向应力代数叠加；,按最大剪应力理论计算应力强度：,16,过程设备设计,4.4.4 应力强度限制,1.设计应力强度,比较,17,2.极限分析,假设:1)小变形,2)材料是理想弹塑性材料,3)简单加载:外载和应力按同一比例增加的加载。,含义:容器在某一载荷下整体屈服，结构达到极限承载能力。（塑性失效）,解决:1)极限载荷,2)虚拟弹性应力,3)限制条件,目的:确定S的限制条件:,过程设备设计,18,过程设备设计,纯弯曲：,研究对象矩形截面（宽b、高h），受纯弯曲梁。,外载弯矩M,19,过程设备设计,比较：,虚拟弹性应力：,20,过程设备设计,设计:有安全裕度，两边同除ns1.5限制值,限制条件:,安全,21,过程设备设计,3.安定性分析,安定性指结构在载荷的反复变化过程中，变形趋于稳定，不会出现塑性变形的连续循环，则认为结构是安定的。丧失安定后的结构会在反复加载卸载中引起新的塑性 变形，导致塑性疲劳或大变形而发生破坏。,目的确定压力容器对Q的限制值,假设同极限设计准则小变形 理想塑材 简单加载,22,过程设备设计,23,过程设备设计,24,过程设备设计,25,4.应力强度限制,控制各种应力及其组合的目的是：,a.控制一次应力极限是为了防止过分弹性变形，包括稳定在内。,b.控制一次应力与二次应力叠加的极限是为了防止过分的弹性 变形的增长性破坏塑性不安定（塑性疲劳）。,c.控制峰值应力极限的目的是防止由周期性载荷引起的疲劳破坏.,所以要对各类应力提出限制条件。,过程设备设计,26,应力强度限制条件：,当各类应力同时存在时，上面五个条件同时满足。,27,Use operating loads,1.5KSm,1.5KSm,3Sm,Sa,KSm,Use design loads,过程设备设计,28,过程设备设计,4.4.5 分析设计的应用,一、分析设计的设计程序（步骤）,2.应力分析:,a.受载（p、机、热）？,b.边界条件？,d.建立力学分析模型,e.计算各部分,29,过程设备设计,b.按第三强度理论,按设计载荷,按工作载荷,30,过程设备设计,载荷组合系数 K,注：1）不需要同时考虑风载荷与地震载荷 2）风载荷与地震载荷的计算方法按有关规定 3）一次总体薄膜应力在屈服点以下,31,过程设备设计,二、工程应用,1.,2.,
