薄壁容器的应力分析
第3章内压薄壁容器的应力分析
dl1 R1 sin d1 R1 d1
率半径,用R2表示;
若自K2点向回转曲面作一个与回转曲面正交的圆锥面,则该圆
锥面与回转曲面的交线也是一个圆——纬线;
就普通回转体而言,用与轴线垂直的平面截取得到的壳体截面 与用上述圆锥面截取得到的壳体截面是不一样的,前者是壳体
的横截面,并不能截出壳体的真正厚度(圆柱形壳体除外),而
后者称为壳体的锥截面,截出的是回转体的真正壁厚;径向应力作用面来自环向应力作用面
径向应力作用于筒体的横截面上,方向平行于筒体的轴线; 环向应力作用于筒体的纵截面上,方向为切线方向,每一点环 向应力的方向不同。
2. 内压圆筒薄膜应力的计算
2.1
环向应力的计算
外力在y轴方向上投影合力Py
dPy dP sin
Py dP sin Ri l P d sin 2Ri l P Di l P DlP
• 径向应力产生在经线方向,作用在圆锥面与壳体相割所形成的锥截
面上; • 不同纬线上各点的径向应力不同,而同一纬线上的径向应力相等。
4.2
环向应力的计算
•
由于所取单元体很小,可以认为ab、cd上 的环向应力相同,ad、bc上的径向应力也
相等,
ab dl1
ad dl2
Qm 2 m S dl2
内压圆筒径 向应力的计 算公式
m
PD 4S
2.3
圆筒环向应力与径向应力的关系
PD p 2S S 2 D
m
PD P 4S S 4 D
S/D体现着圆筒承压能力的高低,S/D越大,圆筒承压能力 越强。因此,看一个圆筒能耐多大的压力,不能光看它的 壁厚大小; 对于圆筒,其环向应力是径向应力的两倍;
第7章 内压薄壁容器的应力分析
环向应力的合力在法线方向的分量来自θn为:N n 2 Sdl1 sin
d 2 2
17
3.微元体的静力平衡方程
由法线n方向力的平衡条件 Fn 0 ,即:Pn-Nmn-Nθ n=0 d1 d 2 pdl1 dl 2-2σ mSdl 2 sin ( ) - 2σ Sdl1 sin ( )0 2 2 【注意简化】:因dθ 1及dθ 2都很小,所以有:
球壳的第一、第二曲率半径相等,为球 的半径R 圆筒的第一曲率半径为无穷大,第二曲 率半径为圆筒的半径R
11
2.基本假设
除假定壳体是完全弹性的,即材料具有连续性、均匀性和各 向同性;薄壁壳体通常还做以下假设使问题简化: ⑴ 小位移假设 壳体受力以后,各点的位移都远小于壁厚。壳体变形后可以 用变形前的尺寸来代替。 ⑵ 直法线假设 壳体在变形前垂直于中间面的直线段,在变形后仍保持直线, 并垂直于变形后的中间面。变形前后的法向线段长度不变, 沿厚度各点的法向位移均相同,变形前后壳体壁厚不变。 ⑶ 不挤压假设 壳体各层纤维变形前后相互不挤压。壳壁法向(半径方向) 的应力与壳壁其他应力分量比较是可以忽略的微小量,其结 果就变为平面问题。 12
2
环向(周向)应力:当其承受内压力P作用以后,其直径要稍 微增大,故筒壁内的“环向纤维”要伸长,因此在筒体的纵向 截面上必定有应力产生,此应力称为环向应力,以σθ表示。由 于筒壁很薄,可以认为环向应力沿壁厚均匀分布。 经向(轴向)应力:鉴于容器两端是封闭的,在承受内压后, 筒体的“纵向纤维”也要伸长,则筒体横向截面内也必定有应 力产生,此应力称为经向(轴向)应力,以σm表示。
内径,但为了使公式简化,此处近似地采用平均直径D。
Cscbpv,压力容器,设计,审核员,培训班PPT 03第三章内压薄壁容器的应力1
o1 r1 σm
φ0
D
φ
φ0
M
R
2
o
R
φ0 σm
3、对圆弧过渡部分(a-b):
pR2 m 2S
pR2 R2 (2 ) 2S r1
因为第二曲率半径R2是一个随φ角而变 (φ0≤φ≤90°,r≤R2≤R)的变数,
D r r1 r 2 r1 R2 r 1 1 s in s in
P y x H
m
R
M x
若容器上方是开口的 则σ m=0。
2、沿顶部边缘支撑的圆筒 最大环向应力 在x=H处(底部), H R HD max S 2S 径向应力σm作用于圆筒 任何截面上的轴向应力 均为液体总重量引起, 列轴向力平衡方程式: 2πRS·σm=πR2H· γ
由此可见,薄壁无力矩应力状态的存在,必须满足 壳体是轴对称的,即几何形状、材料、载荷的对称性和 连续性,同时需保证壳体应具有自由边缘。
第三节 薄膜理论的应用
一、受气体内压的圆筒形壳体
1、经向应力
pD m ( MPa) 4S
σθ σm σθ σm R2=D/2
S P O
O
薄膜理论应用之一
2、环向应力
在R2=r处(=90°):
m
pr 2S pr r 2 2S r 1
o
φ0
六、承受液体静压作用的圆筒壳
1、沿底部边缘支撑的圆筒 环向应力为:
p0 x R p0 x D
S 2S
p0 R p0 D 2S 4S
3、 结论: 作用在任一曲面上的介质压力,其合力等于压力p与 该曲面沿合力方向所得投影面积的乘积,而与曲面形 状无关。 环向应力σ θ 的计算公式: pD 2S
第三章 内压薄壁容器应力云南大学2010版.ppt
代入微体平衡方程式
R
R
==Sp
PP,RR22得==
P2PDD
2
31
PR2 PD
32
圆柱壳壁内应力分布
2 m
33
讨论1:薄壁圆筒上开孔的有利形状
图3-10 薄壁圆筒上开孔
① 环向应力是经向应力 的2倍,所以环向承受应 力更大,环向上就要少削 弱面积,故开设椭圆孔时, 椭圆孔之短轴平行于筒体 轴线,见图
25
2、回转壳体的经向环向应力分析
图3-8 回转壳体的环向应力分析
内压力p在微体abcd上所产生的外力 的合力在法线n上的投影为Pn
Pn pdl1 dl2
在bc与ad截面上经向应力 的m 合力 在法线n上的投影为Nmn
N mn
2 m Sdl2
sin
d1
2
在ab与cd截面上环向应力 的 合力 在法线n 上的投影为 Nn
O1
表示,在图上为线段O1A。
母线
A R1
第一曲率半径
17
母线
回转轴与第二曲率半径
围绕回转轴,可形成一个曲 回转轴 面 , 第 一 曲 率 半 径 O1A 上 到
回转轴O的曲率半径称为第
R1 O
二曲率半径,以R2表示,在
图上为线段OA。
O1
A R2
第一曲率半径
第二曲率半径
18
周向
第一曲率半径与母 线有关;
第三章 内压薄壁容器的应力分析
教学重点:
薄膜理论及其应用
教学难点:
对容器的基本感性认识
1
第一节 回转壳体的应力分析—薄膜应力理论
薄壁容器
薄壁容器内压应力测定(平板封头、锥形封头)
薄壁容器内压应力测定(平板封头、锥形封头)一、实验目的1.测定薄壁容器承受内压作用时,筒体及封头(平板封头、锥形封头)上的应力分布。
2.比较实测应力与理论计算应力,分析它们产生差异的原因。
3.了解“应变电测法”测定容器应力的基本原理和掌握实验操作技能。
二、原理说明由中低容器设计的薄壳理论分析可知,薄壁回转容器在承受内压作用时,圆筒壁上任一点将产生两个方向的应力,经向应力m 和环向应力。
在实际工程中,不少结构由于形状与受力较复杂,进行理论分析时,困难较大;或是对于一些重要结构在进行理论分析的同时,还需对模型或实际结构进行应力测定,以验证理论分析的可靠性和设计的精确性;所以,实验应力分析在压力容器的应力分析和强度设计中有十分重要的作用。
现在实验应力分析方法已有十几种,而应用较广泛的有电测法和光弹法,其中前者在压力容器应力分析中广泛采用。
可用于测量实物与模型的表面应变,具有很高的灵敏度和精度;由于它在测量时输出的是电信号,因此易于实现测量数字化和自动化,并可进行无线电遥测;既可用于静态应力测量,也可用于动态应力测量,而且高温、高压、高速旋转等特殊条件下可进行测量。
电测法是通过测定受压容器在指定部位的应变状态,然后根椐弹性理论的虎克定律可得:⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫-=-=E E E Em mm σμσεσμσεθθθ (1)⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫+-=+-=)(1)(122m m m E E μεεμσμεεμσθθθ(2)通过“应变电测法”测定容器中某结构部位的应变,然后根椐以上应力和应变的关系,就可确定这些部位的应力。
而应变m ε、θε的测量是通过粘贴在结构上的电阻应变片来实现的;电阻应变片与结构一起发生变形,并把变形转变成电阻的变化,再通过电阻应变仪直接可测得应变值m ε、θε,然后根椐(2)式可算出容器上测量位置的应力值,利用电阻应仪和预调平衡箱可同时测出容器上多个部位的应力,从而可以了解容器受压时的应力分布情况。
第三章-内压薄壁容器设计
第三章内压薄壁容器设计第一节内压薄壁圆筒设计【学习目标】通过内压圆筒应力分析和应用第一强度理论,推导出内压圆筒壁厚设计公式。
掌握内压圆筒壁厚设计公式,了解边缘应力产生的原因及特性。
一、内压薄壁圆筒应力分析当圆筒壁厚与曲面中径之比δ/D≤0.1或圆筒外径、内径之比K=D0/D i≤1.2时,可认为是薄壁圆筒。
1、基本假设①圆筒材料连续、均匀、各向同性;②圆筒足够长,忽略边界影响(如筒体两端法兰、封头等影响);③圆筒受力后发生的变形是弹性微小变形;④壳体中各层纤维在受压(中、低压力)变形中互不挤压,径向应力很小,忽略不计;⑤器壁较薄,弯曲应力很小,忽略不计。
2、圆筒变形分析图3-1 内压薄壁圆筒环向变形示意图筒直径增大,说明在其圆周的切线方向有拉应力存在,即环向应力(周向应力)圆筒长度增加,说明在其轴向方向有轴向拉应力存在,即经向应力(轴向应力)。
圆筒直径增大还意味着产生弯曲变形,但由于圆筒壁厚较薄,产生的弯曲应力相对环向应力和经向应力很小,故忽略不计。
另外,对于受低、中压作用的薄壁容器,垂直于圆筒壁厚方向的径向应力相对环向应力和经向应力也很小,忽略不计。
3、经向应力分析采用“截面法”分析。
根据力学平衡条件,由于内压作用产生的轴向合力(外力)与壳壁横截面上的轴向总应力(内力)相等,即:124δσππD p D =由此可得经向应力: δσ41pD=图3-2 圆筒体横向截面受力分析4、环向应力分析 采用“截面法”分析。
图3-3 圆筒体纵向截面受力分析根据力学平衡条件,由于内压作用产生的环向合力(外力)与壳壁纵向截面上的环向总应力(内力)相等,即:22δσL LDp = (3-3)由此可得环向应力: δσ22pD= (3-4) 5、结论通过以上分析可以得到结论:122σσ=,即环向应力是经向应力的2倍。
因此,对于圆筒形内压容器,纵向焊接接头要比环向焊接接头危险程度高。
在圆筒体上开设椭圆形人孔或手孔时,应当将短轴设计在纵向,长轴设计在环向,以减少开孔对壳体强度的影响。
化工设备机械基础:第三章 内压薄壁容器的应力分析
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2020/12/14
第二节 薄膜理论的应用
代入微体平衡方程式及区域平衡方程式并求解得:
m
PD
4
,
PD
4
推论:对相同的内压,球壳的环向应力要比同直径、 同厚度的圆筒壳的环向应力小一半,这是球壳显著的 优点。
三、受气体内压的椭球壳(椭圆形封头)
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(一)壳体理论的基本概念 壳体在外载荷作用下,
要引起壳体的弯曲,这种变 形由壳体内的弯曲和中间面 上的拉或压应力共同承担, 求出这些内力或内力矩的理 论称为一般壳体理论或有力 矩理论,比较复杂;
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2020/12/14
第一节 薄膜应力理论
但是,对于壳体很薄,壳体具有连续的几何曲面,所 受外载荷连续,边界支承是自由的,壳体内的弯曲应 力与中间面的拉或压应力相比,可以忽略不计, 认为壳体的外载荷只是由中间面的应力来平衡,这种 处理方法,称为薄膜理论或无力矩理论。 1、有力矩理论 2、无力矩理论(应用无力矩理论,要假定壳体完全弹 性,材料具有连续性、均匀性各各向同性,此外,对 于薄壁壳体,通常采用以下三点假设使问题简化) 1)小位移假设 2)直法线假设 3)不挤压假设
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第二节 薄膜理论的应用
一、受气体内压的圆筒形壳体
R1
R2
r
D 2
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第二节 薄膜理论的应用
由区域平衡方程式
m
pR2
2
PD
4
代入微体平衡方程式
内压薄壁圆筒容器讲解
pD
≤[σ]tφ
2
实际应用中还必须考虑以下几种情况:
(2)容器内径
内径Di,受力分析中的D是中面直径,D换算成 Di的形式,可得:
D Di
故有: p(Di ) ≤[σ]tφ 2
实际应用中还必须考虑以下几种情况:
(3)计算压力pc
确定筒体厚度的压力为计算压力pc
pc (Di ) t
(二)内压薄壁圆筒容器的强度条件与壁厚计算
按第一强度理论(最大主应力理论),
应使筒体上的最大应力小于或等于圆筒材 料在设计温度下的许用应力[σ]t。对于内压 圆筒,筒体上最大应力为环向应力σt,即:
t
pD
2
≤[σ]t
实际应用中还必须考虑以下几种情况:
(1)焊缝系数
筒体多由钢板卷焊而成,焊缝可能隐含 缺陷,使焊缝及其附近金属的强度低于钢 板本体强度。考虑这种影响引入焊接接头 系数φ:
2
所以内压薄壁圆筒体的计算厚度δ为:
pc Di
2[ ]t
pc
实际应用中还必须考虑以下几种情况:
(4)腐蚀裕量、钢板负偏差与壁厚
考虑到介质或周围大气对筒壁的腐蚀作用,在
确定钢板所需厚度时,还应在计算厚度基础上,加
上腐蚀裕量c2,得设计壁厚
d
C2
pc Di
2[ 差,将设计厚度加上厚度
职业教育应用化工技术专业教学资源库《化工设备认知与制图》课程
内压薄壁圆筒容器
吉林工业职业技术学院
内压薄壁圆筒容器
(一)内压薄壁圆筒容器的应力
设介质压力p,中间直径D,壁厚为δ。
变形分析:在内压力作用下,直径将会变大,长度 也会增长。 受力分析:经向拉力和环向拉力
(一)内压薄壁圆筒容器的应力
第十四章内压薄壁容器的应力分析解读
作用于微元体上的介质压力p在法线方向上的合力F为:
第十四章内压薄壁容器的应力分析
第十四章内压薄壁容器的应力分析
2.区域平衡方程 对于任意壳体,用垂直于母线的旋转法 截面切割壳体,如图所示,取截面以上 部分为研究对象,建立轴向平衡方程。
式(14-5)是承受气压作用时任意 回转壳体的经向薄膜应力计算 式,因为这是用切割部分壳体 推导出来的,故称区域平衡方 程。
第十四章内压薄壁容器的应力分析
第十四章 内压薄壁容器的应力分析
主要内容: 回转壳体的几何概念 回转壳体的应力理论 无力矩理论在典型壳体中的应用
边缘应力
第十四章内压薄壁容器的应力分析
§14-1 回转壳体的几何概念
压力容器
压力容器按厚度可以分为薄壁容器和厚壁容器。所谓厚壁与薄壁并 不是按容器厚度的大小来划分。通常根据容器外径Do与内径Di 的比值K=Do/Di来判断的。
x a,
pa 2
(14-14)
壳体顶点处:
pa a x 0, (14-15) 2 b
赤道பைடு நூலகம்:
a 2 pa a2 x a, 2 2 2 2 (14-16) b 2 b
(14-12)
由式(14-11)和式(14-12)可知:椭球壳体上的应力是随点的位置变 化而变化的,且应力值大小还受椭圆壳本身几何形状的影响, a/b值不同,应力大小也不同。下面对经向应力和周向应力的分 布情况进行讨论。
第十四章内压薄壁容器的应力分析
壳体顶点处:
pa 2 pa a (14-13) x 0, 2 b 2 b
第十四章内压薄壁容器的应力分析
《化工设备机械基础》第三章习题解答
第三章 内压薄壁容器的应力分析一、 名词解释 A 组:⒈薄壁容器:容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于0.1的容器。
⒉回转壳体:壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转360°而成的壳体。
⒊经线:若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。
⒋薄膜理论:薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的一种两向应力状态,也称为无力矩理论。
⒌第一曲率半径:中间面上任一点M 处经线的曲率半径。
⒍小位移假设:壳体受力以后,各点位移都远小于壁厚。
⒎区域平衡方程式:计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。
⒏边缘应力:内压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。
⒐边缘应力的自限性:当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时,弹性约束开始缓解,原来不同的薄膜变形便趋于协调,边缘应力就自动限制。
二、 判断题(对者画√,错着画╳) A 组:1. 下列直立薄壁容器,受均匀气体内压力作用,哪些能用薄膜理论求解壁内应力?哪些不能?(1) 横截面为正六角形的柱壳。
(×) (2) 横截面为圆的轴对称柱壳。
(√) (3) 横截面为椭圆的柱壳。
(×) (4) 横截面为圆的椭球壳。
(√) (5) 横截面为半圆的柱壳。
(×) (6) 横截面为圆的锥形壳。
(√)2. 在承受内压的圆筒形容器上开椭圆孔,应使椭圆的长轴与筒体轴线平行。
(×)3. 薄壁回转壳体中任一点,只要该点的两个曲率半径R R 21=,则该点的两向应力σσθ=m 。
(√)4. 因为内压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比,当材质与介质压力一定时,则壁厚大的容器,壁内的应力总是小于壁厚小的容器。
(×)5. 按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力,薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。
(√) B 组:1. 卧式圆筒形容器,其内介质压力,只充满液体,因为圆筒内液体静载荷不是沿轴线对称分布的,所以不能用薄膜理论应力公式求解。
第三章 内压薄壁容器的应力分析
61
联接边缘邻接的两部分壳体变形不同而又互相约束
——产生边缘应力的条件 ✓ 边缘应力的存在总是以变形受到某种限制为前提 ✓ 哪里有限制,哪里就有边缘应力 ✓ 限制越大,边缘应力越大
62
(二)边缘应力特点
(1).局部性 只产生在一
局部区域内,边缘 应力衰减很快。见 如下测试结果:
衰减长度大约为:
mR2 sindd R1dd sin pR1R2 sin dd
m p R1 R2
微元平衡方程。又称 拉普拉斯方程。
环向应力计算公式
——微体平衡方程
m. p R1 R2
m
pR2
2
式中 m---经向应力(MPa); ---环向应力(MPa); R1----第一曲率半径(mm); R2----第二曲率半径(mm); p----介质压力(MPa);
29
圆柱壳壁内应力分布
30
31
(二) 受气体内压的球形壳体
用场:球形容器,半球形封头,无折边球形封头等。
32
33
球壳的 R1 = R2 ,则
m
pD
4
条件相同时,球壳内应力与圆筒形壳体的经向 应力相同,为圆筒壳内环向应力的一半。
1.这么好,为什么不常用?
34
(三) 受气体内压的椭球壳
用场:椭圆形封头。 成型:1/4椭圆线绕同平面Y轴旋转而成。
纬线(平形圆):作圆锥面与壳体中间面正
交,所得交线
母线?经线
经线一定是母线,母线不一定是经线! 7
8
母线 经线 纬线
第一曲率 半径CK1 第二曲率 半径CK2 纬平面
9
2.基本假设:
(1)小位移假设。壳体受压变形,各点位移都小 于壁厚。简化计算。
内压薄壁圆筒应力分析
❖ 二、回转壳体的无力矩理论 ❖ 1、有力矩理论:壳体在外载荷作用下,要引起壳体
的弯曲,这种变形由壳体内的弯曲和中间面上的拉 或压应力共同承担,求出这些内力或内力矩的理论 称为一般壳体理论或有力矩理论,比较复杂;
2020/7/10
2、 无力矩理论:对于壳体很薄,壳体具有连续的几 何曲面,所受外载荷连续,边界支承是自由的,壳 体内的弯曲应力与中间面的拉或压应力相比,小到 可以忽略不计,认为壳体的外载荷只是由中间面的 应力来平衡,这种处理方法,称为薄膜理论或无力 矩理论。
P
θ R2 M
δ
向下的力因内压引起: F=(πD2P)/4
向上的力为应力集中力在竖 直方向的分力为:
F=σm·πDδ·sinθ
根据力平衡条件:
(πD2p)/4=σmπDδ·sinθ
根据D=2R2sinθ代入上式
σm=pR2/2δ
σm
σm
M
D
δ
σm R2
O
P σm θ
M
θ
D
五、环向应力的计算公式—微体平衡 已求得经向应力σm=pR2/2δ,求环向应力,取小微分体,如 图所示。
K2
σ dθ 2 σ θ
2 R2
dθ 2 P
m
dl2
σθ
小结:薄膜理论的适用条件 薄壁无力矩应力状态的存在,必须满足:
壳体是轴对称的,即几何形状、材料、载荷的对称性与连续 性,同时需要保证壳体应具有自由边缘。
1、壳转壳体曲面在几何上是轴对称,壳体厚度无突变; 曲率半径是连续变化的,材料是各向同性的,且物理性能( 主要是E和μ)应当是相同的;
回转壳体:以回转曲面为中间面的壳体
轴对称:我们把几何形状、所受外力、约束 条件都对称于回转轴的问题称为轴对称问题 。
材料力学薄壁压力容器知识点总结
材料力学薄壁压力容器知识点总结在材料力学中,薄壁压力容器是一个重要的研究对象。
薄壁压力容器指的是壁厚相对于容器尺寸来说相当薄的容器,常见的有气瓶、蒸汽锅炉以及工业管道等。
本文将从材料力学的角度,对薄壁压力容器的知识点进行总结和归纳。
1. 应力和应变薄壁压力容器在使用时会承受内外部的压力载荷,因此我们首先需要了解应力和应变的概念。
应力是单位面积上的内部力的大小,可以分为法向应力和剪切应力。
应变则是物体在受到外力作用下产生的形变程度,可以分为线性应变和剪切应变。
2. 轴对称薄壁压力容器的受力分析轴对称薄壁压力容器是指容器的几何形状在轴向上具有对称性。
在轴对称薄壁压力容器的受力分析中,我们需要考虑容器的内外径、壁厚、内外压力以及材料的弹性模量等参数。
通过应力和应变的计算,可以得出容器在不同条件下的稳定性。
3. 塔式储罐的安全性评估塔式储罐是一种常见的化工设备,用于储存液体或气体。
为了保证塔式储罐的安全运行,我们需要进行安全性评估。
安全性评估主要包括强度计算、可靠性评估和疲劳分析等方面。
在强度计算中,我们需要考虑容器的几何形状、材料性能以及荷载情况等因素。
可靠性评估和疲劳分析则主要针对容器的寿命和疲劳损伤进行评估。
4. 压力容器的材料选择在设计压力容器时,选择合适的材料是至关重要的。
材料的选择需要考虑容器的使用环境、载荷情况以及成本等因素。
常见的材料有钢材、铝合金、钛合金等,每种材料都有其特定的性能和适用范围。
通过合理选择材料,可以确保压力容器具有良好的强度和耐久性。
5. 安全阀的设计和选择安全阀是一种常见的压力容器配件,用于保护容器免受超压的影响。
安全阀的设计和选择需要考虑容器的工作压力、流量要求以及阀的启闭特性等因素。
通过合理选择安全阀,可以保证容器在超压情况下的安全运行。
总结:综上所述,材料力学对于薄壁压力容器的研究具有重要意义。
通过对应力和应变、轴对称薄壁压力容器受力分析、塔式储罐的安全性评估、材料选择以及安全阀设计和选择等知识点的总结,我们可以更好地了解和设计薄壁压力容器。
第三章 内压薄壁容器及封头的强度设计
锥体曲线上任意一点A处的曲率半径:
R1
,
R2
r
cos
由式(3-1)、(3-2)得任意点A处的经向应力 m 和环向应力 :
m
pr 2S
g1
cos
(3-8)
pr g 1
S cos
(3-9)
最大应力出现在r=D/2,即锥底处:
m
pDg 1
4S cos
pDg 1
2S cos
D R2 r
αα A
HW(3/15) 一、名词解释: 薄壁容器、回转壳体、经线、薄膜理论、第一曲率半径、区域平衡方程式 法线、无力矩理论、第二曲率半径、微体平衡方程式
椭球壳主要是椭圆形封头。承受内压p作用的椭圆形封头,其长、短 半径分别为a,b,壳体壁厚为S。
σm
y
A(x,y)
根据壳体椭圆曲线的曲线方程式:
x2 y2 1 a2 b2
σm
x
b
R1
a R2
x
求得壳体上任意点A(x,y)处的曲率半径:
R1
1 a4b
a4
x2
a2 b2
3/2
R2
1 b
a4
x2
Nmn
2 m Sdl2 gsin
d1
2
微小单元体经向应力分析 σθ
环向应N力 nσθ在法2线方S向dl上1 g的si分n量dN2θ2n:
dθ2
dl2
n
p
n
R2
σθ
微小单元体纬向应力分析
根据法线方向上的平衡条件:
Fn Nmn Nn 0
pgdl1gdl2
2
m
Sdl2
gsin
d1
2
2
实验五内压薄壁容器应力测定实验
实验五 内压薄壁容器应力测定实验一、实验目的1.把握电阻应变测量原理;2.学习电阻应变仪的利用方式,学习电阻应变片的贴片和接线技术; 3.了解封头在内压作用下的应力散布规律。
二、实验原理 1. 应力计算:薄壁压力容器要紧由封头和圆筒体两个部份组成,由于各部份曲率不同,在它们的连接处曲率发生突变。
受压后,在连接处会生产边缘力系——边缘力矩和边缘剪力。
使得折边区及其双侧必然距离内的圆筒体和封头中的应力散布比较复杂,某些位置会显现较高的局部应力。
利用电阻应变测量方式可对封头和与封头相连接的部份圆筒体的应力散布进行测量。
应力测定顶用电阻应变仪来测定封头各点的应变值,依照广义虎克定律换算成相应的应力值。
由于封头受力后是处于二向应力状态,在弹性范围内用广义虎克定律表示如下:经向应力:()21211μεεμσ+-=E(1-1) 环向应力:()12221μεεμσ+-=E(1-2) 式中:E —材料的弹性模量μ—材料的波桑比 ε1—经向应变 ε2—环向应变。
椭圆封头上各点的应力理论计算公式如下:经向应力:()[]bb a x a s p r 2122242--=σ (1-3)环向应力:()[]()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----=2224421222422b a x a a bba x a s p θσ (1-4) 2.电阻应变仪的大体原理:电阻应变仪将应变片电阻的微小转变,用电桥转换成电压电流的转变。
其进程为:()→∆∆→→放大器或电桥应变片I V RdR ε将()指示或纪录检流计或纪录仪放大或→∆∆I V将电阻应变片用胶水粘贴在封头外壁面上,应变片将随封头的拉伸或紧缩一路变形,应变片的变形会引发应变片电阻值的转变,二者之间存在如下关系:ε⋅=∆=∆K LlK R R (1-5) 式中:ΔR/R —电阻应变片的电阻转变率ΔL/L —电阻应变片的变形率 K —电阻应变片的灵敏系数; ε—封头的应变。
3. BZ2205C 型静态电阻应变仪 1) 电阻应变仪的组成:(1) 构件变形的感受和转换部份——电阻应变片; (2) 被转换量的传递和放大部份; (3)记录及读数部份。
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第一、 第一、第二曲率半径
Let P = pressure, • t = thickness of shell, • σ 1 = the meridional(longitudinal)stress,the stress acting along a meridian, σ m • σ 2 = the circumferential or tangential stress,the stress acting along parallel circles(often called the hoop stress), σ θ • R1 = the meridional radius of curvature, • R2 = circumferential radius of curvature.
dθ F ⋅ sin 2
(拉力的一个分量)
F = σ 1 ⋅ tdS 2
• Them is no strict definition of what constitutes a pressure vessel,but it is generally accepted that any closed vessel over 150 mm diameter subject to a pressure difference of more than 1 bar should be designed as a pressure vessel. • It is not possible to give a completely comprehensive account of vessel design in one chapter. The design methods and data given should be sufficient for the preliminary design of conventional vessels. Sufficient for the chemical engineer to check the feasibility of a proposed equipment design;to estimate the vessel cost for an economic analysis;and to determine the vessel's general proportions and weight for plant layout purposes. For a more detailed account of pressure vessel design the reader should refer to other useful books on the mechanical design of process equipment.
• The analysis of the membrane stresses induced in shells of revolution by internal pressure gives a basis for determining the minimum wall thickness required for vessel shells. The actual thickness required will also depend on the stresses arising from the other loads to which the vessel is subjected. • Consider the shell of revolution of general shape shown in Figure ,under a loading that is rotationally symmetric;that is,the load per unit area(pressure) on the shell is constant round the circumference,but not necessarily the same from top to bottom.
• The principal stresses acting at a point in the wall of a vessel, to a pressure load,are shown in Figure 3.1.
•
If the wall is thin,the radial stress σ3 will be small and can be neglected in comparison with the other stresses,and the longitudinal and circumferential stressesσ1 andσ2 can be taken as constant over the wall thickness,In a thick wall,the magnitude of the radial stress will be significant,and the circumferential stress will vary across the wall. The majority of the vessels used in the chemical and allied industries are classified as thin-walled vessels. Thick-walled vessels are used for high pressures.
第四章 压力容器设计
CHAPTER 4
Design of Pressure Vessel
Mechanical Design of Process Equipment
Mechanical Design of Process Equipment
Our topic covers those aspects of the mechanical design of chemical plant that are of particular interest to chemical engineers. The main topic considered is the design of pressure vessels. The design of storage tanks,centrifuges and heat-exchanger tube sheets are also discussed briefly. The chemical engineer will not usually be called on to undertake the detailed mechanical design of a pressure vessel. Vessel design is a speciafised subject,and will be carried out by mechanical engineers who are conversant with the current design codes and practices,and methods of stress analysis. However,the chemical engineer will be responsible for developing and specifying the basic design information for a particular vessel,and needs to have a general appreciation of pressure vessel design to work effectively with the specialist designer.
• An elementary understanding of the principles of the “Strength of Materials”(Mechanics of Solids)will be needed to follow this chapter. Readers who are not familiar with the subject should consult one of the many textbooks available;such as those by Faupel and Fisher(1981). The book by Faupel and Fisher is particularly recommended as a general introduction to mechanical design for chemical engineers.
Classification of pressure vessels
For the purposes of design and analysis, pressure vessels are sub-divided into two classes depending on the ratio of the wall thickness to vessel diameter:thin-walled vessels,with a thickness ratio of less than 1:10;and thick-walled above this ratio.
Байду номын сангаас
The basic data needed
The basic data needed by the specialist designer will be: • 1.Vessel function. • 2.Process materials and services. • 3.Operating and design temperature and pressure. • 4.Materials of construction. • 5. Vessel dimensions and orientation. • 6. Type of vessel heads to be used. • 7. Openings and connections required. • 8. Specification of heating and cooling jackets or coils. • 9. Type of agitator. • 10. Specification of internal fittings.