过程装备基础第二版课件教学课件 ppt 作者 朱孝钦 刘俊明 主编第6章 内压薄壁壳体的应力分析.ppt

* 薄膜应力由于要满足平衡外载荷的要求，只要在压力作用的地方都会有薄膜应力，并且随着压力的增加而增大。因此，薄膜应力的作用范围遍布于压力容器整个壳体，不具有自限性。 与薄膜应力相比，边缘应力由于具有局部性和自限性，使压力容器直接发生破坏的危险性较小。 对于大多数由塑性较好的材料(如低碳钢、奥氏体不锈钢等)制成的压力容器，受静载荷时，一般不对边缘应力作特殊考虑，只是在结构上作某些局部处理，如妥善处理连接边缘的结构，在连接边缘采取局部加强，保证边缘区的焊缝质量，降低边缘区的残余应力，避免边缘区附加局部应力或产生应力集中(如避免在边缘区附近开孔)等。 * 小 结 (1)基本概念：回转壳体、壳体的中间面、壳体厚度、经线、平行圆、第一曲率半径、第二曲率半径、薄膜内力、“有力矩理论”或“弯曲理论”、“无力矩理论”或“薄膜理论” 、周向应力或环向应力、经向应力 * (2)基本方程式: 微体平衡方程式 区域平衡方程式 (3)无力矩理论的应用条件 (4)壳体中边缘应力两个特征：局部性和自限性。 ? * 第6章 内压薄壁壳体的应力分析 薄壁壳体的基本概念和几何特性 特殊回转薄壳中的薄膜应力 回转薄壁壳体的无力矩理论 回转薄壁壳体中的边缘应力 * 6.1 概述 6.3 回转薄壁壳体的无力矩理论 6.4 特殊回转薄壳中的薄膜应力 第 6 章 内 压 薄 壁 壳 体 的 应 力 分 析 目录 6.5 回转薄壁壳体中的边缘应力 6.2 内压薄壁壳体的几何特性 * 6.1 概述 过程装备中的压力容器通常是由板、壳通过焊接的方法组合而成，常见的壳体结构有圆筒形壳体、球形壳体、锥形壳体、椭球形壳体和由它们构成的组合壳体，这些壳体大多属于回转壳体。 回转壳体是轴对称体，在垂直于对称轴平面上的投影是正圆形，其内、外表面都是由一条平面曲线绕同一对称轴形成的回转曲面。与壳体的内、外表面等距离的面称为壳体的中间面，而内、外表面之间的法向距离称为壳体厚度，用δ表示。 壳体可分为薄壁壳体和厚壁壳体，其中薄壁壳体是指厚度与直径相比很小的壳体，对于圆筒形壳体，若圆筒的厚度与内直径之比δ/Di≤1/10，即圆筒的外直径与内直径之比Do/Di≤1.2的，称为薄壁圆筒，反之，则称为厚壁圆筒。 * 典型的薄壁壳体结构示例图如下: (1)卧式薄壁壳体 * (2)立式反应壳体 点击图标播放 * (3)塔式壳体结构 * 下图为一般回转薄壁壳体的中间面，由于回转薄壁壳体的厚度很小，故通常可用中间面来代表回转薄壁壳体的几何特性。 6.2 回转薄壁壳体的几何特性 * 坐标系：采用柱坐标，在r-z坐标面上研究回转薄壳的几何特性 经线、平行圆(1)通过回转轴的平面称为经线平面，经线平面与壳体中间面的交线称为经线。 (2)垂直于回转轴的平面与中间面的交线形成的圆称为平行圆，该圆的半径称为平行圆半径，用r表示。 * 第一曲率半径、第二曲率半径 (1)经线上任一点A处的曲率半径称为第一曲率半径，用R1表示。 (2)通过经线上任一点A作垂直于经线的平面，该平面与中间面相交形成一条平面曲线，如图(a)中D、A、C三点所在的曲线，该曲线在A点的曲率半径称为第二曲率半径，用R2表示。(3)第一和第二曲率半径的曲率中心都位于A点的法线上，且第二曲率半径的曲率中心必落在对称轴上。在图中，R1=AK1，R2=AK2。 * (4)由高等数学知，只要已知经线方程z=z(r)，经线上任一点的第一曲率半径R1可用下式求解： (5)平行圆半径r与第二曲率半径R2之间有如下关系：  * 6.3 回转薄壁壳体的无力矩理论 如果回转薄壁壳体受到轴对称载荷作用，支承容器的边界也对称于轴线，则壳体因外载荷作用而引起的内力和变形问题属于轴对称问题。 轴对称问题中在壳体内产生的应力在同一平行圆上没有变化，但沿经线(如图中的曲线O1B)一般是变化的。 内压薄壁容器承受的载荷通常为气体压力和液体的静压力。一般情况下，气体压力是主要的载荷，液体的静压力相对较小。 6.3.1 无力矩理论概述 * * 为了分析薄壁壳体中一点的应力状态，通常如前面图示截取微元体。 用经向平面截壳体形成的截面称为纵截面或经向截面，以第二曲率半径R2为母线形成的锥面截壳体形成的截面称为锥截面。 一般情况下，经向截面两侧材料在经向和壳体法线方向，锥截面两侧材料在周向，都不会存在相对错动的剪切变形，因而在经向截面上和锥截面的周向都不可能存在剪力。弯矩 、 是由于周向和经向的曲率变化引起的，横剪力 则是由于锥截面两侧材料在沿壳体法线方向可能存在的剪切变形引起的。 和 是由于壳体中间面的拉伸或压缩变形而产生