气瓶应力分析和强度计算.doc

.WORD完美.格式编辑. .技术资料.专业整理. 气瓶应力分析和强度计算 气瓶应力分析和强度计算 　　气瓶是一种承受内压的压力容器，一般由圆筒、封头、封底所组成。从受力情况看(这是强度设计的力学基础)，它可以分为头部及其影响区、简体、底部及其影响区三部分。而强度设计的任务就是要正确确定每一部分的结构形状及其尺寸，保证在整个使用年限内安全运行。对已有的气瓶，则可利用应力分析及强度设计有关公式进行安全校验和剩余寿命的估算。图4—1为一凹形底气瓶的应力分布图。 　　强度设计的基本原则是安全可靠，经济合理。　　一、气瓶筒体的应力状态　　气瓶筒体部分是一薄壁圆柱形壳体，或称薄壁圆筒。由于气瓶的公称工作压力可达30MPa，属于高压容器。制造气瓶的材料一般都选用强度较高的优质结构钢，所以其壁厚S相对于半径Ri来说仍是很小的，一般S／Ri1／10。根据力学分析及有关压力容器的设计规定，当圆筒外、内直径之比Do／Di≤1．2时，可认为是薄壁圆筒，均可按薄壁圆筒设计。所谓薄壁圆筒，从力学上讲，就是指：当圆筒的壁厚相对于半径很小时，圆筒断面上承受弯矩的能力很小，筒壁主要承受拉力或压力，因此，可以近似地认为应力在整个筒壁上，沿壁厚度是均匀分布的，即所谓无力矩理论。按无力矩理论计算求得的应力称为薄膜应力。 现在我们来分析气瓶简体即薄壁圆筒的应力状态。 圆筒是最简单的一种回转壳体，也是压力容器中最基本的部分。薄壁圆筒的无力矩理论应力状态可以用分析回转壳体应力状态的一般方法求解，也可以更简单的从静力平衡方程式直接求得。以图4—2为例，如果我们在气瓶中部以垂直于轴线的平面(横截面)将气瓶截为上下二段，则作用在环断面的经向应力(亦称轴向应力)的合力为πDSo经，此力应与由内压P作用在气瓶底端的总轴向力(不管封头形状如何，均为π/4D2ip)相平衡， 　　即 　　因系薄壁圆筒，故内径D”可近似地等于平均直径Di．即D1≈D，由此，可求得作用于圆筒横截面上的经向应力。 ? ? 　　为了求得环向应力(亦称周向应力或切向应力)，则可取长度为L的一段圆筒，并以通过轴线的纵向截面将此圆环沿轴线切开,如图4—3所示，一辟两半，并沿Y--Y方向列静力平衡方程式，由于内压P引起的Y方向的合力为P·Di·L此合力应与作用在二块长为L宽为S的纵向断面上的环向应力的合力2·L·S·σ环相平衡，因此， 　　公式(4．1)及(4．2)中圆筒的直径均为内径，所以有时亦称内径公式。如果式(4．1)，(4．2)中Di近似地用平均直径D，则得中径公式： ? 　　对比式(4．1)及(4.2)可知：气瓶简体的环向应力较经佝应力为大，σ环=2σ径。所以环向是薄弱环节，这与如图(4—1)所示的气瓶实测应力分布曲线是一致的。气瓶爆破试验或气瓶爆破事故实例一般也是瓶身纵向开裂爆破，即是由于作用在气瓶筒体轴向断面上的环向应力达到材料抗拉强度所引起的。故焊接气瓶(如液化石油气钢瓶)尽量不用或少用纵向焊缝，也就是这个道理。如果爆破试验或气瓶爆破事故中发生环向断裂，则应分析出现轴向强度低于环向强度的具体原因。有些特殊用途的气瓶，例如飞机上用的灭火瓶，为了降低气瓶的重容比，针对简体强度是薄弱环节这一特点，就采用绕丝式结构，即在气瓶的外壁再缠绕上几层超高强度钢丝以增加简体承受环向载荷的能力。采用这种结构，即保证了气瓶环向强度，又可充分发挥轴向强度的潜力，这种设计称为等强度设计。也有一些航空用气瓶，外形象糖葫芦”，相当于几个球壳串联在一起，这是因为球壳的轴向应力和环向应力是相等的，所以它也是一种等强度壳体。在我国发射的某宇宙卫星上，即使用球形气瓶，在简体上，如需要开孔时，应尽量开成椭圆形，且使椭圆之短轴平行于筒体轴线，以尽量减小纵截面的削弱程度，从而使环向应力少增加一些。前面在分析薄壁圆筒的应力状态时，我们曾假定由于壁厚相对于半径来说很小，就像薄膜气球一样，只能承受拉力，不能承受弯矩，因此应力沿壁厚方向是均匀分布的，也就是圆筒外表面上的应力和内表面上的应力是一样的，因此，如果我们从气瓶瓶体上用二个通过主轴并互成。角的纵截面和二个垂直于主轴的横截面割出一小块来看(如图4—2)只在二个方向受力，即环向力和轴向力，半径方向没有受力，这在力学上叫做二向应力状态(或称平面应力状态)。如果我们观察得更细一点，在外壁表面上是不受力的(除了大气压力以外，既没有东西压在它上面，也没有东西去拉它)，但在内壁上则承受瓶内介质的压力。如果瓶内装的是15MPa的气体，那么，在内壁表面就受到数值为15MP