平板封头与椭圆形封头应力测定及分析

平板封头与椭圆形封头应力测定及分析摘要压力容器是内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，结构内应力分布情况，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范围以内。

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；应力分析；ANSYS有限元法ABSTRACTPressure 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 carries 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. 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 obtained in good agreement with ANSYS.Keywords:Pressure vessel；Flat head；Ellipse head；Stress analysis；Using the ANSYS finite element metho目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1压力容器的结构 (1)1.1.1压力容器典型组成 (1)1.2压力容器主要分类 (3)1.2.1 按介质危害性分类 (3)1.2.2 压力容器分类 (4)1.3世界压力容器规范标准 (6)1.3.1 国外主要规范标准简介 (7)1.3.2 国内主要规范标准简介 (9)第二章椭圆形封头与平板封头的应力分析并计算 (12)2.1载荷分析 (12)2.1.1载荷 (12)2.1.2载荷工况 (14)2.2椭圆形封头的应力分析并计算 (14)2.2.1 回转薄壳的不连续分析 (15)2.2.2 无力矩理论的基本方程 (16)2.2.3薄壁圆筒理论计算公式推导 (19)2.2.4 椭圆形封头理论计算公式推导 (20)2.2.5理论计算并分析已知椭圆形封头的应力 (22)2.3平板封头应力分析 (23)2.3.1 概述 (23)2.3.2 圆平板对称弯曲微分方程 (24)2.3.3 圆平板中的应力 (29)2.3.4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 (34)3.1电测法测定封头应力 (34)3.1.1 电测法的目的、原理及要求 (34)3.1.2实验前装置及仪器准备 (36)3.1.3 实验步骤 (36)3.1.4 电测法实验结果 (36)3.1.5 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 (42)4.1 ANSYS有限元分析简介 (42)4.1.1 ANSYS软件提供的分析类型 (42)4.2 ANSYS对已知平板封头应力分析 (43)4.2.1 ANSYS对已知平板封头应力分析步骤 (43)4.3 ANSYS对已知椭圆形封头应力分析结果 (52)第五章数据处理及误差分析 (56)5.1对椭圆形封头和平板封头的数据处理 (56)5.2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 (57)第六章结论 (58)参考文献 (59)致谢.......................................................................................................................... 错误！未定义书签。

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（外半径与内半径之差大于10倍的厚板）、环（外半径与内半径之差小于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化学反应所需要的主要压力空间。

内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(简称法兰连接)，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(简称法兰连接)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(或顶盖)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、装拆和洗涤容器内部的装置。

手孔内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mm350 。

450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(筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件)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，则须在外壳内装入工艺所要求的内件，才能构成一个完整的产品。

1.2 压力容器主要分类使用范围广、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。