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1、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
2、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。, 提出新的设计观点分析设计方法,5,二、分析设计的基本思想,6,应力分类法的基本思想,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,7,过程设备设计,三、容器的载荷与应力对失效的影响,8,过程设备设计,9,过程设备设计,四、应力分析
3、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。,10,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:,11,
4、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;,12,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
5、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,13,、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,14,过程设备设计,注意:只
6、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4-16,15,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,分类:,and,(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,
7、16,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：,17,过程设备设计,4.4.4 应力强度限制,1.设计应力强度,比较,18,2. 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,19,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,20,过程设备设计,计算:1)只上、下表面,2),塑,
8、: 弯矩,比较：,虚拟弹性应力：,21,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,22,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,23,过程设备设计,24,过程设备设计,25,过程设备设计,26,4. 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
9、。,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,27, 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。,28,Use operating loads,1.5KSm,1.5KSm,3Sm,Sa,KSm,Use design loads,过程设备设计,29,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,30,过程设备设计,b. 按第三强度理论,按设计载荷,按工作载荷,31,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,32,过程设备设计,二、工程应用,1.,2.,
