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《过程设备设计基础》教案-2压力容器应力分析课案
《过程设备设计基础》
教案
2—压力容器应力分析
课程名称:过程设备设计基础
专 业:过程装备与控制工程
任课教师:
第2章 压力容器应力分析
§2-1 回转薄壳应力分析
主 要 教 学 内 容 授课方式 授课时数 1、回转壳体的基本几何概念
2、无力矩理论的基本方程
3、回转薄壳的无力矩理论
4、无力矩理论的应用
5、回转薄壳的不连续分析 讲授 8 教学目的和要求 1、了解回转壳体的基本几何概念
2、掌握无力矩理论并熟练应用
3、了解圆柱壳轴对称问题的有力矩理论和回转壳体的不连续分析方法 教学重点和难点 无力矩理论及其基本方程的应用 课外作业 习题T1、T2、T3
一、回转薄壳的概念
薄壳:(t/R)≤0.1 R----中间面曲率半径
薄壁圆筒:(D0/Di)max ≤1.1~1.2
二、薄壁圆筒的应力
图2-1、图2-2 材料力学的“截面法”
三、回转薄壳的无力矩理论
1、回转薄壳的几何要素
(1)回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度
* 对于薄壳,可用中间面表示壳体的几何特性。
(2)母线、经线、法线、纬线、平行圆
(3)第一曲率半径R1、第二曲率半径R2、平行圆半径r
(4)周向坐标和经向坐标
2、无力矩理论和有力矩理论
(1)轴对称问题
轴对称 几何形状----回转壳体
载荷----气压或液压
应力和变形----对称于回转轴
(2)无力矩理论和有力矩理论
a、外力(载荷)----主要指沿壳体表面连续分布的、垂直于壳体表面的压力,如气压、液压等。
PZ= PZ(φ)
b、内力
薄膜内力----Nφ、Nθ (沿壳体厚度均匀分布)
弯曲内力---- Qφ、Mφ、Mθ (沿壳体厚度非均匀分布)
c、无力矩理论和有力矩理论
有力矩理论(弯曲理论)----考虑上述全部内力
无力矩理论(薄膜理论)----略去弯曲内力,只考虑薄膜内力
在壳体很薄,形状和载荷连续的情况下,弯曲应力和薄膜应力相比很小,可以忽略,即可采用无力矩理论。
无力矩理论是一种近似理论,采用无力矩理论可是壳地应力分析大为简化,薄壁容器的应力分析和计算均以无力矩理论为基础。
在无力矩状态下,应力沿厚度均匀分布,壳体材料强度可以得到合理的利用,是最理想的应力状态。
(3)无力矩理论的基本方程
无力矩理论的基本假设
小位移假设----壳体受载后,壳体中各点的位移远小于壁厚。
考虑变形后的平衡状态时壳用变形前的尺寸代替变形后的尺寸
直法线假设----变形前垂直于中面的直线变形后仍为直线,且垂直于变形后的中面。
变形前后壳体壁厚保持不变
不挤压假设----壳壁各层纤维在变形前后互不挤压。
将壳体的三向应力问题转变为平面应力问题
无力矩理论的基本方程
-----求解外载荷作用下壳壁中的薄膜应力
①截取壳体微元
dl1=R1d
dl2=r d
dA=R1d×r d
②微元上的内力----Nφ、Nθ
③平衡方程
①建立空间直角坐标系
②建立力平衡方程式
∑FZ=0
(Nφ+ d Nφ)( r+ d r) dsin d+2 Nθsin(d/2)R1d sin
+PZ R1dr dcos(d/2)=0
∑FX=0
(Nφ+ d Nφ)( r+ d r) d cos d- Nφr d
-2 Nθsin(d/2)R1d cos=0
* PZ和F的物理意义和方向
* 难点:如何根据外载荷的具体情况,采用最直接的方法截取部分壳体,列轴向力平衡关系式。
(4)无力矩理论的应用
受均匀气体内压作用的容器
PZ=-P
(1)圆柱形容器
R1=∞ R2= R
说明:①σθ=2σφ,即筒体的经向截面是薄弱截面。爆破试验时,筒体都是沿经向裂开。在结构设计和制造时,应尽量避免或减少对其经向截面的削弱,例如:纵焊缝的强度要求比环焊缝高;椭圆形人孔都是沿横向布置。
②圆筒的承压能力取决于(t/D)的大小,并非厚度约大承压能力约好。
(2)球形容器
R1=R2= R
说明:①σθ=σφ,即球壳各点的应力分布完全均匀。
②球壳的最大应力只是圆柱壳最大应力的一半,故球壳的承压能力比圆柱壳好。
(3)圆锥壳
R1=∞ R2= xtgα
说明:①σθ=2σφ,两向应力均与x成线性关系,在锥顶处应力为零,距离锥顶越远,应力越大,因此一般开孔在锥顶。
②若圆锥壳用于下封头,则最大应力在锥壳于容器联接处
③两向应力随α的增大而增大,故锥壳的α不宜过大,一般α≤45°
(4)椭圆形封头
顶点(x=0,y=b):
赤道(x=a,y=0):
结论:①椭球壳上各点的应力与坐标(x,y)有关。
②σφ恒为正值,其最大值在x=0处,最小值在x=a处。
σθ在x=0处σθ〉0,
在x=a处有三种情况:
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