《谈WRC107和WRC297公报在化工设备设计中的应用-赵栓柱》由会员分享，可在线阅读，更多相关《谈WRC107和WRC297公报在化工设备设计中的应用-赵栓柱（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 谈 WRC107 和 WRC297 公报在化工设备设计中的应用 赵栓柱 在工程设计中，柱壳或球壳局部受外载荷的作用，在壳体上产生一定的局部应力，如果应力太大，就会引起壳体局部屈服，影响设备安全，所以必须充分考虑局部应力的影响。 WRC107 公报第一版是美国焊接研究会于 1965 年 8 月发表的，自发表以来做了多次修改，1979 年 3 月发表了目前的版本， WRC107 用于外载通过圆形附件、方形附件、矩形附件对柱壳及通过接管、方形附件、圆形附件对球壳产生的局部应力的计算，WRC297 是作为WRC107 公报关于接管根部局部应力计算的补充于 1987 年 9 月出版的，用于外载通过接管
2、对柱壳产生局部应力的计算。目前，国内外尚无关于壳体局部应力计算的标准规范，多年来大家广泛应用这两个公报解决工程设计中的局部应力计算问题。 WRC107 和 WRC297 公报中每一条曲线都有一定的使用界限，只有清楚其使用条件及其变化规律， 才能在实际设计中灵活应用这两个公报， 由于 WRC107 和 WRC297 公报内容繁多，不太好理解，现把 WRC 公报的实际应用及注意事项分类归纳如下，供大家参考。 1. 应用 WRC107 公报用于外载通过附件对柱壳引起局部应力的计算： 1.1 柱壳上圆形附件边缘壳体局部应力的计算 工程设计中经常遇到柱形壳体的圆形附件(例如接管、 搅拌器的凸缘)受到外载
3、的作用(见图 1)，在附件边缘处的壳体上产生局部应力。 图 1 1/12 WRC107 使用条件如下： ? 受外力矩作用时(即 Mx,My,MT 之一大于零时), 圆形附件至邻近封头切线或壳体端部的距离 L 0.5Rmd/2。受外力作用时(即 Vx,Vy,Fz 之一大于零时), 圆形附件中心至邻近封头切线或壳体端部的距离 L Rm+d/2， 这是因为在封头的切线或壳体端部附近，壳体受力情况比较复杂，很难用较简单的方法进行计算，必须借助较高级的应力分析方法进行解决。 其中: Rm 为柱壳的平均半径; d 为圆形附件直径。 ? 几何系数 =0.875*(d/2)*Rm 应使 0.01 0.5 式中
4、: d 为圆形附件或接管外径, Rm 为柱壳的平均半径。 ? 几何系数 =Rm/T 应使 5 300 式中: T 当计算接管根部的局部应力且有补强圈时, T 应为壳体有效厚度与补强圈厚度之和；计算补强圈边缘局部应力时，T 为壳体有效厚度。 Rm 为柱壳的平均半径。 1.2 柱壳上方形附件边缘壳体局部应力的计算 工程设计中经常遇到柱形壳体的方形附件受到外载的作用(见图 2)，在附件边缘处的壳体上产生局部应力。 图 2 2/12 使用条件如下： ? 方形附件中心至邻近封头切线或壳体端部的距离 L 0.5Rm 其中: Rm 为柱壳的平均半径, ? 几何系数 =Cx/2Rm 应使 0.01 0.5 式
5、中: Cx 为方形附件边长,Rm 为柱壳的平均半径。 ? 几何系数 =Rm/T 应使 5 300 式中: T 为壳体有效厚度,Rm 为柱壳的平均半径. 1.3 柱壳上矩形附件边缘壳体局部应力的计算 工程设计中经常遇到柱形壳体的矩形附件(例如支座、吊耳等)受到外载的作用(见图 3)，在附件边缘处壳体上产生局部应力。 图 3 使用条件如下: ? 矩形附件中心至邻近封头切线或壳体端部的距离 L 0.5Rm 其中: Rm 为柱壳的平均半径, ? 几何参数 Cx 和 Cy 应使 1/4 Cx/Cy 4 3/12 式中: Cx 为矩形附件轴向边长, Cy 为矩形附件周向边长 ? 几何系数1 和 2 1=
6、Cy / 2Rm ; 2= Cx / 2Rm 应使 0.01 0.5, 矩形附件条件下, 此值不为定值, 而与外载类型、 1 及2 的值有关。 ? 几何系数 应使 5 =Rm/T 300 式中: T 为壳体有效厚度,Rm 为柱壳的平均半径. 2. 应用 WRC107 公报用于外载通过附件对球壳引起局部应力的计算： 2.1 球壳上接管根部局部应力的计算 适用于球壳(或椭圆封头和碟型封头等)上接管承受的外载荷(见图 4)在接管根部对球壳产生的局部应力计算。 如接管有补强圈，按本节计算接管根部壳体局部应力后，还应按 2.2 计算补强圈边缘的壳体局部应力。 图 4 使用条件如下: ? 接管或补强板的边
7、缘不得在凸形封头的过渡区内。 ? 几何系数 应使 0.25 =T/t 10 , 限制条件详见下表. 式中: T 为球壳有效厚度, 当有补强圈时,其 T 值为壳体有效厚度与补强圈厚4/12 度之和；t 为接管厚度。 ? 几何系数 u 应使 0.05 urRm T=0 / 2.2 其中: r0 为接管外半径；Rm 为球壳平均半径；T 为球壳有效厚度，当有补强圈时,其 T 值为壳体有效厚度与补强圈厚度之和. ? 几何系数 应使 5 = Rm/T 50 ,限制条件详见下表 式中: T 为壳体有效厚度，当有补强圈时,其 T 值为壳体有效厚度与补强圈厚度之和；Rm 为球壳平均半径. 几何系数和限制表 0.
8、25 1 2 4 10 5 有解 有解 有解 有解 无解 15 无解 有解 有解 有解 有解 50 无解 无解 无解 有解 有解 表中 无解 的含义为无曲线可查，无法进行计算。 2.2 球壳上圆形附件边缘局部应力的计算 工程设计中经常遇到球壳(或椭圆封头和碟型封头等)上的圆形附件(例如搅拌器凸缘等)受到外载的作用(见图 5)，在附件边缘处球壳上产生局部应力。 图 5 5/12 使用条件如下: ? 圆形附件的边缘不得在凸形封头的过渡区内. ? 几何系数 u 应使 0.05 urRm T=0 / 2.2 其中: r0 为圆形附件半径； T 为壳体有效厚度； Rm 为球壳平均半径. 2.3 球壳上方
9、形附件边缘局部应力的计算 工程设计中经常遇到球壳(或椭圆封头和碟型封头等)上的方形附件受到外载的作用(见图 6)，在附件边缘处球壳上产生局部应力。 图 6 使用条件如下: ? 圆形附件的边缘不得在凸形封头的过渡区内. ? 几何系数 u 应使 0.05 uCxRm T=/ ( .)1 75 2.2 其中: Cx 为 方形附件边长；T 为壳体有效厚度； Rm 为球壳平均半径。 3. 应用 WRC297 公报用于外载通过接管对柱壳引起局部应力的计算： WRC107 公报计算壳体的局部应力时，是将附件作为实心(即壳体不开孔)进行处理的，只计算壳体本身的局部应力，WRC297 作为 WRC107 的补充
10、，专门用于柱壳上接管承6/12 受的外载荷对壳体产生的局部应力计算(见图 7), 考虑了壳体开孔的影响，不仅能计算在接管根部壳体本身的局部应力， 且可计算在接管根部接管本身的局部应力， 这是这两个公报的根本区别之处；另外两个公报的曲线范围不同，其应用范围有差异，计算结果也不完全相同，传统上，大家一直习惯按 WRC107 公报进行接管根部局部应力的计算。 图 7 使用条件如下: ? 接管中心至邻近封头切线或柱壳端部的距离 LDm T2 其中: Dm 为柱壳的平均半径； T 为柱壳的有效厚度,当有补强圈时,其值为壳体有效厚度与补强圈厚度之和。 ? 系数 d/t 100 其中: d 为接管外径； t
11、 为接管有效厚度. ? 系数 Dm/T 2500 其中: Dm 为柱壳的平均半径； T 为柱壳的有效厚度,当有补强圈时, 其值为壳体有效厚度与补强圈厚度之和。 ? 接管伸出长度Hmin Hdmin*= 2t? 不适用于内伸接管 7/12 在工程设计中，如接管有补强圈时，应首先应用 WRC297 计算柱壳在接管根部的局部应力，再应用 WRC107 计算柱壳在补强圈边缘的局部应力。 4. 应用 WRC107 和 WRC297 进行局部应力的计算步骤 41 外载 Fz、My、Mx、Vy、Vx、Mt 会在附件周边的柱壳上引起沿柱壳周向和轴向的薄膜应力、弯曲应力和剪应力，其有代表性的应力点为图示中的 A
12、、B、C、D，进行应力计算时， 需求得这四个点的膜应力及壳体内外表面的应力， 具体计算方法可按以下步骤进行。 ? 根据几何参数采取应力计算系数： (1) 按照 WRC107 计算在附件边缘柱壳局部应力的计算时，首先求出和，根据外载荷的不同型式，按照表 1 列出的所用图号，由和值查取各个应力的计算系数。 (2) 按照 WRC107 计算在接管根部球壳局部应力的计算时，首先求出几何参数 、u 和，根据外载荷的不同型式，按照表 2 列出的所用图号，查取各个应力的计算系数。 (3) 按照 WRC107 计算在圆形附件或矩形附件边缘球壳局部应力的计算时， 首先求出几何参数 u，根据外载荷的不同型式，按照
13、表 3 列出的所用图号，查取各个应力的计算系数。 (4) 按照 WRC297 计算在接管根部柱壳局部应力的计算时，首先求出几何参数T/t、d/t 和。 =d DD T根据外载荷的不同型式，按照表 4 列出的所用图号，查取各个应力的计算系数。 ? 计算各个外载荷在 A、B、C、D 点产生的分项应力： 依据不同计算类型，分别按表 1、表 2、表 3、或表 4 的计算公式和正负号分别计算外载作用下 A、B、C、D 点的分项局部应力，如实际载荷的方向与图示方向相反时，该载荷在各点引起的应力符号与表中相反。 表中 Au、Bu、Cu、Du 代表 A、B、C、D 点的外表面应力，Al、Bl、Cl、Dl 代表
14、A、B、C、D 点的内表面应力，Am、Bm、Cm、Dm 代表 A、B、C、D 点的膜应力；Kn、Kb为应力集中系数，当不要求做疲劳分析时，取应力集中系数 Kb 和 Kn 为 1.0 。 8/12 ? 计算内压 P 在 A、B、C、D 各点引起的薄膜应力。 ? 求出 A、B、C、D 各点环向内外表面应力、膜应力的代数和x。 ? 求出 A、B、C、D 各点轴向内外表面应力、膜应力的代数和y。 ? 求出 A、B、C、D 各点剪应力的代数和。 ? 求当量应力: 取以下二式计算值的大者： =+05422. *()()*xyxy=()*xy224? 应力判定： 在 WRC107 和 WRC297 公报中，
15、仅涉及外载荷引起的局部应力的计算方法，没有谈及内压 P 和外载同时存在时的处理办法和应力的判定原则，在实际工程应用中，要把内压 P 引起的膜应力同外载荷引起的应力进行组合，按照压力容器分析设计的判定准则进行应力的判定。 A、B、C、D 点内外表面的应力0.5，可适当减小 d 值再进行计算， 壳体的局部应力的大小与 d 值是成反比的， 如用较小的 d 值进行计算应力能满足要求， 则采用较大 d 时，更能满足要求。 6.2 应用 WRC107 公报进行柱壳上方形附件边缘壳体局部应力计算时 ? 方形附件中心至邻近封头切线或壳体端部的距离 L 超限时， 可采取适当降低局部应力的办法进行解决。 ? 如或超出使用范围，应改变附件的几何尺寸进行试算，找出应力变化规律，进行类推。一般情况下，如几何系数0.5，可适当减小 Cx 值再进行计算， 壳体的局部应力的大小与 Cx 值是成反比的， 如用较小的 Cx 值进行计算应力能满足要求， 则较大采用 Cx 时，更能满足要求。 6.3 应用 WRC107 公报进行柱壳上矩形附件边缘壳体局部应力计算时 ? 矩形附件中心至邻近封头切线或壳体端部的距离 L 超限时，同样可采取适当降低局部应力的办法进行解决。 10/12 ? 如或超出使用范围, 应改变附件的几何尺寸进行试算，找出应力变化规律，
