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1、平板封头与椭圆形封头应力测定及分析摘 要压力容器是部或外部承受气体或液体压力、并对安全性有较高要求的密封容器。椭圆形封头和平板封头容器的应力分布情况先从理论上分析了并采用电测法测量其应力,结合ANSYS有限元分析方法进行比较讨论。应力分析的目的就是求出结构在承受载荷以后,结构应力分布情况,找出最大应力点或求出当量应力值,然后对此进行评定,以把应力控制在许用围以。经过此次实验并将实验数据与ANSYS有限元法分析所得到的数据进行了对比,得到了以下的分析结果：在实际测得数值与理论数值有些不一样,一些点的误差比较大,实验测得数据与ANSYS所得到的数据相接近。关键词：压力容器；平板封头；椭圆形封头；应
2、力分析；ANSYS有限元法ABSTRACT Pressure vessel is internal or external to gas or liquid pressure, and the security requirements of a sealed container. Analyses the stress distribution in the ellipse head and Flat head containers theoretically,and measures the stress by electrical measurement method,then carr
3、ies on compare and discuss by combining ANSYS finite element analysis method.The purpose of stress analysis is to find out the structure load, the structure, the stress distribution of the greatest stress or equivalent to stress the value,then this assessment, to put the stress in a control within.
4、after the experiment and experimental data and ansys the finite-element method analysis of data in contrast, the following analysis results ：experimental and theoretical values measured there are some differences,the error of some points are relatively large the experimental measured results obtaine
5、d in good agreement with ANSYS.Keywords:Pressure vessel；Flat head；Ellipse head；Stress analysis；Using the ANSYSfinite element metho / 目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 压力容器的结构11.1.1压力容器典型组成11.2压力容器主要分类31.2.1 按介质危害性分类31.2.2 压力容器分类41.3 世界压力容器规标准61.3.1 国外主要规标准简介71.3.2 国主要规标准简介9第二章 椭圆形封头与平板封头的应力分析并计算122.1 载荷分析
6、122.1.1载荷122.1.2载荷工况142.2 椭圆形封头的应力分析并计算142.2.1 回转薄壳的不连续分析152.2.2 无力矩理论的基本方程162.2.3薄壁圆筒理论计算公式推导192.2.4 椭圆形封头理论计算公式推导202.2.5理论计算并分析已知椭圆形封头的应力222.3 平板封头应力分析232.3.1 概述232.3.2 圆平板对称弯曲微分方程242.3.3 圆平板中的应力282.3.4理论计算并分析已知圆平板封头的应力32第三章 实验法进行封头的应力测定及分析343.1 电测法测定封头应力343.1.1 电测法的目的、原理及要求343.1.2实验前装置及仪器准备363.1.
7、3实验步骤363.1.4 电测法实验结果363.1.5 理论计算与实验结果对比并分析38第四章 有限元法对封头进行应力分析424.1ANSYS有限元分析简介424.1.1 ANSYS软件提供的分析类型424.2 ANSYS对已知平板封头应力分析434.2.1 ANSYS对已知平板封头应力分析步骤434.3 ANSYS对已知椭圆形封头应力分析结果51第五章 数据处理及误差分析555.1对椭圆形封头和平板封头的数据处理555.2将计算法、实验法、有限元法的结果进行对比并进行误差分析56第六章 结论57参考文献58致 59第一章 绪论1.1 压力容器的结构1.1.1压力容器典型组成 一般来说压力容器
8、是典型的由板、壳组合而成的焊接结构。受压元件中,圆柱形筒体、球罐或球形封头、椭球形封头、蝶形封头、球冠形封头、锥形封头和膨胀节所对应的壳分别是圆柱壳、球壳、椭球壳、球壳+环壳、球冠、锥形和环形板外半径与半径之差大于10倍的厚板、环外半径与半径之差小于10倍的板厚以及弹性基础圆平板。上述7种壳和4种板可以组合成各种压力容器结果形式,再加上密封元件、支座、安全附件等就构成了一台完整的压力容器。图1-1 压力容器总体结构1-法兰；2-支座；3-封头拼接焊缝；4-封头；5-环焊缝；6-补强圈；7-人孔；8-纵焊缝；9-筒体；10-压力表；11-安全阀；12-液面计一筒体 压力容器的筒体是储存物料或完成
9、化学反应所需要的主要压力空间。直径和容积由工艺确定。筒体形式有圆柱筒体和球形筒体。一般筒体直径较小一般小于500mm时,圆筒可用无缝钢管制作,此时筒体上没有纵焊缝；直径较大时,可用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在水压机上压制成两个半圆筒,再用焊缝将两者焊接在一起,形成整圆筒。由于该焊缝的方向和圆筒的纵向即轴向平行,因此称为纵向焊缝,简称纵焊缝。若容器的直径不是很大,一般只有一条纵焊缝；随着容器直径的增大,由于钢板幅面尺寸的限制,可能有两条或者两条以上的纵焊缝。另外,程度较短的容器可直接在一个圆筒的两端连接封头,构成一个封闭的压力空间,也就制成了一台压力容器外壳。但当容器较长时,由于钢板幅面尺寸
10、的限制,就需要先用钢板卷焊成若干段筒体某一段筒体简称为一个筒节,再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。筒节与筒节之间、筒节与端部封头之间的连接焊缝,由于其方向与筒体轴向垂直,因此称为环向焊缝,简称环焊缝。圆筒按其结构可分为单层式和组合式两大类。二封头 封头的作用是与筒体等部件形成封闭空间。封头根据不同形状可分为凸形、锥形、和平盖,其中凸形又分为球形、椭圆形、碟形和球冠形。封头与筒体根据工艺要求不同有两种连接方法：一是不可拆直接焊接,另一是为可拆式螺栓法兰连接,可拆连接因不同情况有不同的密封要求。三密封装置泄漏是常见的一种压力容器失效形式。除去封头与筒体之间的可拆连接需要密封装置外,容器的
11、接管与外部按管的连接、人孔与手孔、视孔等的连接。压力容器主要联接方法是螺栓法兰连接,用于容器连接的法兰称为容器法兰,用于管道连接的为管法兰。螺栓法兰连接是一种应用最广的密封装置,它的作用是通过螺栓连接,并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰；用于容器封头与筒体间,以及两筒体间连接的法兰叫容器法兰；用于管道连接的法兰叫管道法兰。在高压容器中,用于顶盖和简体连接并与简体焊在一起的容器法兰,又称为筒体端部。四开孔和接管几乎所有的开孔会导致强度减弱,故应少开孔并考虑作开孔补强设计。开孔主要是根据工艺和检修的要求而设置的各种管口,如物料的进出口、压力计表口、测
12、温口、液面计孔、人孔、手孔等等。手孔和人孔是用来检查、装拆和洗涤容器部的装置。手孔径要使操作人员的手能自由地通过,因此,手孔的直径一般不应小于150mm。考虑到人的手臂长约650-700mm,所以直径大于1000mm的容器就不宜再设手孔,而应改设人孔。常见的人孔形状有圆形和椭圆形两种。为使操作人员能够自由出入,圆形人孔的直径至少应为400mm,椭圆形人孔的尺寸一般为。 筒体或封头上开孔后,开孔部位的强度都会被削弱,并使该处的应力增大。这种削弱程度随开孔直径的增大而加大,因而容器上应尽量减少开孔的数量,尤其要避免开大孔。对容器上已开设的孔,还应进行开孔补强设计,以确保所需的强度。五支座压力容器靠
13、支座支承并固定在基础上。圆筒形容器和球形容器的支座各不相同。随安装位置不同,圆筒形容器使用卧式容器支座如鞍座、支腿、圈座和立式容器支座如腿式、支承式、耳式和裙式。球形容器多采用柱式或裙式六附件压力容器安全附件主要有： 安全阀、紧急切断阀、爆破装置、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等 上面所述的六大部件构成了一台压力容器的外壳。对于储存用的容器,这一外壳即为容器本身。对于用于化学反应、传热、分离等工艺过程的容器,则须在外壳装入工艺所要求的件,才能构成一个完整的产品。1.2 压力容器主要分类使用围广、数量多、工作条件复杂的压力容器发生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度与多种因素有关,比如
14、设计压力、设计温度、介质危害性、材料力学性能、使用场合和安装方式等。危害程度愈高,压力容器材料、设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。因此,需要对压力容器进行合理分类。1.2.1 按介质危害性分类压力容器的介质危害性主要是指介质的毒性、易燃性、易爆、腐蚀、氧化性等。在分类中主要与毒性、易燃性有关。一毒性毒性是某种化学毒物引起有机体损伤的能力。毒性大小是化学物质引起实验动物某种毒性反应所需要的剂量。对于气态毒物,以空气中该物质的浓度表示。最高允许质量浓度为对人体不会发生危害作用的最高浓度。设计压力容器时,依据化学介质的最高容许浓度,中国将化学介质分为极度危害、高度危害、中度危害、轻度危害等四
15、个级别。所谓最高容许浓度是指从医学水平上,认为对人体不会发生危害作用的最高浓度,以每立方米的空气中含毒物的毫克数来表示,单位是mg/m3。一般划分标难准为： 1、极度危害 最高容许质量浓度0.1mg/m32、高度危害 级最高容许质量浓度0.11.0mg/m33、小度危害 最高容许质量浓度1.010 mg/m34、轻度危害 最高容许质量浓度10mg/m3。其中Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害的压力容器。介质毒性程度愈高,压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重,对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235A或Q235E钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒件程度为极度或高度危害介质的容器制造时,碳素钢和低合金钢板应逐进行超声检测,整体必须进行焊后热处理,容器上的A、B类焊接接头还应进行100
