《化工容器及设备》第2单元_化工设备强度计算基础.ppt

第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 引入经比 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 内（外）压力下厚壁圆筒的三向应力： 周向应力 径向应力 轴向应力 1833年拉美首次对厚臂圆筒进行应力分析提出的，称为拉美公式。从弹性理论导出的，只适用于弹性变形的情况。 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 厚壁圆筒通常用作高压设备的壳体，绝大多数都是仅受内压的作用，也可能是只有外压作用，采用径比K的表示方法，以上各计算式可以进一步简化。 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 仅受内压时厚壁圆筒应力分量分布图 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 仅受外压时厚壁圆筒应力分量分布图 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 厚壁圆筒应力分量分布图 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 应力的特征是； (1)径向应力沿整个壁厚均为负值(压应力)，周向应力均为正值(拉应力)，轴向应力亦均为正值(拉应力)。 (2)径向应力与周向应力沿壁厚的分布是不均匀的。 (3)轴向应力沿壁厚是均匀分布的，其值是周向应力和径向应力的平均值。 (4)周向应力沿筒壁厚度分布情况由径比K值不同而异。 K值愈大不均匀程度愈严重。工程中一般取K=1.1～1.2作为厚壁和薄壁容器的界限。 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 不均匀程度（周向应力之比为） 应力沿壁厚的不均匀程度与径比K值有关 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 二、单层厚壁圆筒温差应力计算 1.温差应力分析 ——因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力。 热应力（温差应力） 高压容器往往又是高温操作。有些容器器内温度很高，有时器外温度很高，器壁便有热传递，也就存在温度差。温度较高的材料其膨胀变形将受到温度较低的材料的限制，从而使前者受到压缩而后者受到拉伸，因而产生温度差应力。 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 温差应力虽然是属于二次应力（由于温度载荷以及结构的总体几何不连续或材料不连续所产生的应力），但对容器的强度还是有很大的影响。待别是内压、外加热的情况，圆筒的内壁既受工作内压所引起的拉伸应力作用，又受温差所产生的拉伸应力的作用。两种拉伸应力叠加，将使内壁的应力达到高值，因而在设计时必须考虑温差应力。 注意 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 2. 厚壁圆筒的热应力计算 周向热应力： 径向热应力： 轴向热应力： 当厚壁圆筒处于对称于中心轴且沿轴向不变的温度场时，稳态传热状态下，三向热应力的表达式为： 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 热应力与温差△t成正比，和温度的绝对值没有直接的关系。 壁厚越大，传热阻力越大，内外壁温差也越大，会导致热应力增大。 三向热应力的表达式可知： 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 3. 内压与温差同时作用引起的应力 综合应力 内压 温差 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 内加热情况下，筒体内壁上的周向应力与轴向应力出于工作应力与温差应力有不同的符号，所以内壁的应力状态得到改善，外壁应力由于两种应力符号相同，叠加后而恶化； 在外加热的情况下则相反、筒体内壁的应力叠加后恶化，外壁应力得到改善。 虽然在两种情况下，筒体内壁或外壁的应力状态都有一方面得到改善，但在实际工作中，温差应力仍应尽量减少或避免。因为在高压下操作，有时发生突然事故，引起紧急放空，工作压力降低，改善的情况便不存在，温差应力会产生极为不利的影响。 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 减少热应力的措施: 1、控制设备的加热和冷却速度 2、控制和减小构件的热变形约束 3、设置膨胀节 4、采用良好的保温层 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） *三、厚壁圆筒弹塑性应力 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 当内压力增加到一定值时，厚壁圆筒内壁开始屈服 厚壁圆筒弹塑性分析 内压力继续增加．塑性部分从内往外相应扩展。 筒体沿壁厚形成两个不同区域：内侧为塑性区，外侧为弹性区。 假设筒体塑性区与弹性区交界面为一与容器筒体同心的圆柱面。承受内压力pi为某一值时。所相应的塑性区圆柱面的半径r＝RC。假想将塑性区与弹性区分开。 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 塑性区为一圆柱形简内半径——Ri外半径——RC承受内压力——pi外压力——pC 弹性区亦为一圆柱形简内半径——RC外半径——R0承受内压力——pC外压力——p0 设塑性区与弹性区交界面上的压力为pC。 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 1. 塑性区应力计算 塑性区应力 弹塑性两区交界面上的压力pc 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 2. 弹性区应力计算 弹性区应力 弹塑性两区交界面上的压力pc 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 残余应力 第三节 厚壁圆筒应力分析（续） 厚壁圆筒的自增强 用超过工作压力的压力进行超压处理，使圆筒发生弹塑性变形，卸除压