1、二压力容器二压力容器应力分析与应力分析与安全设计安全设计薄膜理论的应用薄膜理论的应用回转薄壳的应力分析回转薄壳的应力分析载载 荷荷压力容器压力容器应力、应变的变化应力、应变的变化2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析拉伸变形、弯曲变形拉伸变形、弯曲变形2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析变形特点变形特点 当容器内部压力当容器内部压力PI大于外部压力大于外部压力P外外时，容器产生两种变形：拉伸变形和弯时，容器产生两种变形：拉伸变形和弯曲变形，其中拉伸应力曲变形，其中拉伸应力拉拉远大于弯曲远大于弯曲应力应力弯弯。中间面是一个由任何直线或平面曲线绕中间面是一个由任何直线或平面曲线绕着同一平面内
2、的一条轴线回转所构成的着同一平面内的一条轴线回转所构成的回转表面。回转表面。2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析回转壳体回转壳体薄壁壳体薄壁壳体器壁的相对壁厚相对较小的壳体。内器壁的相对壁厚相对较小的壳体。内径和外径的比值径和外径的比值K1.11.2的壳体。的壳体。基本假设基本假设2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析 1. 壳体处于两向应力状态壳体处于两向应力状态 2. 应力沿壁厚方向均匀分布应力沿壁厚方向均匀分布图图2-1 薄壁圆筒在内压作用下的应力分布薄壁圆筒在内压作用下的应力分布2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析基本假设基本假设内力内力薄膜内力薄膜内力弯曲内力弯曲内力横向剪
3、力横向剪力弯矩扭矩弯矩扭矩薄膜理论薄膜理论弯曲理论弯曲理论2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析薄膜应力薄膜应力截面法截面法图图2-2 薄壁圆筒在压力作用下的力平衡薄壁圆筒在压力作用下的力平衡2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析应力分析应力分析B点受点受力分析力分析轴向：经向应力或轴向应力轴向：经向应力或轴向应力圆周的切向：周向应力圆周的切向：周向应力壁厚方向：径向应力壁厚方向：径向应力r（内压（内压P）三向应力状态三向应力状态三向应力状态三向应力状态, r薄壁圆筒薄壁圆筒B点的受力简化成二向应力状态点的受力简化成二向应力状态DtpD242.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析应力应力求
4、解求解轴向平轴向平衡衡周向平周向平衡衡tpD4202sin2tadapRitpD222.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析一、回转薄壳的几何要素一、回转薄壳的几何要素回转薄壳：回转薄壳：母母 线：线：极极 点：点：经线平面：经线平面：经经 线：线：平平 行行 圆：圆：中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成。轴线回转而成。绕轴线回转形成中面的平面曲线。绕轴线回转形成中面的平面曲线。通过回转轴的平面与中面的交线。通过回转轴的平面与中面的交线。中面与回转轴的平面与中面的交线。中面与回转轴的平面与中面的交线。经线平面与中面的交线。经线平面与中面的交线
5、。垂直于回转轴的平面与中面的交线称为平行圆。垂直于回转轴的平面与中面的交线称为平行圆。2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析中面法线：中面法线：第一曲率半径第一曲率半径R1：平行圆半径平行圆半径r ：过中面上的点且垂直于中面的直线，法线必过中面上的点且垂直于中面的直线，法线必与回转轴相交。与回转轴相交。经线上点曲线半径。经线上点曲线半径。垂直于经线的平面与中面交线上点的曲垂直于经线的平面与中面交线上点的曲率半径。率半径。平行圆半径。平行圆半径。第二曲率半径第二曲率半径R2：2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析图图2-3 回转壳微体上力的平衡回转壳微体上力的平衡二、壳体微元及其内力分量二、
6、壳体微元及其内力分量abcddRdl112.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析二、壳体微元及其内力分量二、壳体微元及其内力分量微元体微元体经线经线ab弧长弧长截线截线bd长长微元体微元体abdc的面积的面积压力载荷压力载荷微元截面上内力微元截面上内力abcdrddl 2drdRdA1)(pp )()(tNtN、ddRpRddtRddtR2122sinsin2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析三、微元平衡方程三、微元平衡方程微体法线方向的力平衡微体法线方向的力平衡tpRR21微元体平衡方程，又称拉普拉斯方程。微元体平衡方程，又称拉普拉斯方程。2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析四、区域
7、平衡方程四、区域平衡方程图图2-4 回转壳体的区域平衡回转壳体的区域平衡2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析四、区域平衡方程四、区域平衡方程压力在压力在O-O轴方向产生的合力轴方向产生的合力作用在截面作用在截面m-m 上内力的轴向分量上内力的轴向分量微元平衡方程与区域平衡方程是薄膜理论的两个基本方程。微元平衡方程与区域平衡方程是薄膜理论的两个基本方程。区域平衡方程式区域平衡方程式mrprdrV02cos2trVmcos2trVVm2.1 回转薄壳应力分析回转薄壳应力分析五、薄膜理论的应用五、薄膜理论的应用承受气体内压的回转薄壳承受气体内压的回转薄壳储存液体的回转薄壳储存液体的回转薄壳球形薄
8、壳球形薄壳薄壁圆筒薄壁圆筒锥形壳体锥形壳体椭球形壳体椭球形壳体圆筒形壳体圆筒形壳体球形壳体球形壳体2.2.1 压力容器的载荷压力容器的载荷u工作压力工作压力u重力载荷重力载荷u风载荷风载荷u地震载荷地震载荷u温度载荷温度载荷2.2 压力容器的安全设计参数压力容器的安全设计参数2.2.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类(1)一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力Pm(2)一次弯曲应力一次弯曲应力Pb(3)一次局部薄膜应力一次局部薄膜应力PL2.2 压力容器的安全设计参数压力容器的安全设计参数一次应力一次应力P二次应力二次应力Q峰值应力峰值应力F 应力产出的原因应力产出的原因 机械载荷还是变形协调
9、机械载荷还是变形协调b. b. 应力的作用区域与应力的作用区域与分布形式分布形式 整体还是局部整体还是局部(1)一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力Pm 沿厚度方向均匀分布的应力沿厚度方向均匀分布的应力(2)一次弯曲应力一次弯曲应力Pb 沿截面厚度线性分布的应力沿截面厚度线性分布的应力(3)一次局部薄膜应力一次局部薄膜应力PL 在总体结构不连续区域，由内压或其他机械载荷产在总体结构不连续区域，由内压或其他机械载荷产生生 的薄膜应力，但作用范围是局部区域的薄膜应力，但作用范围是局部区域 。2.2.2 压力容器的应力分类压力容器的应力分类如何区分一次总体薄膜应力与一次如何区分一次总体薄膜应力与一次局部
10、薄膜应力局部薄膜应力 薄膜应力沿经线的作用长度来划分的：薄膜应力沿经线的作用长度来划分的： 应力强度应力强度1.1Sm ，延伸距离，延伸距离1.0 Sm为设计应力强度，为设计应力强度，R为第二曲率半径，为第二曲率半径，为为最小厚度最小厚度 1.1Sm的两个应力区，的两个应力区， 延伸距离延伸距离 2.5 ，否则按总体薄膜应力，否则按总体薄膜应力RmmR 二次应力二次应力Q 由于容器自身的约束或相邻部件间的相互约束所引起的正由于容器自身的约束或相邻部件间的相互约束所引起的正应力或切应力，变形协调产生的。具有自限性。应力或切应力，变形协调产生的。具有自限性。 （1）总体结构不连续处的弯曲应力；）总
11、体结构不连续处的弯曲应力； （2）总体热应力）总体热应力 峰值应力峰值应力F （1）局部结构不连续处的弯曲应力；）局部结构不连续处的弯曲应力； （2）局部热应力）局部热应力 高度的局部性与自限性高度的局部性与自限性2.2.3 压力容器的局部应力压力容器的局部应力2.2 压力容器的安全设计参数压力容器的安全设计参数 边缘应力边缘应力热应力热应力制造偏差引起的附加应力制造偏差引起的附加应力 截面不圆引起的附加应力截面不圆引起的附加应力 错边和角变形引起的附加应力错边和角变形引起的附加应力 表明凹凸不平引起的附加应力表明凹凸不平引起的附加应力焊接接头的局部应力焊接接头的局部应力2.2.4 压力容器的
12、设计压力容器的设计2.2 压力容器的安全设计参数压力容器的安全设计参数u工作压力：容器正常工作情况下，容器顶部可工作压力：容器正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。能出现的最高压力。u设计压力：在相应的设计温度下，用以计算容设计压力：在相应的设计温度下，用以计算容器及元件强度尺寸的压力。器及元件强度尺寸的压力。u计算壁厚壁厚附加量设计壁厚计算壁厚壁厚附加量设计壁厚u名义壁厚为设计壁厚圆整名义壁厚为设计壁厚圆整u有效壁厚有效壁厚名义壁厚壁厚附加量名义壁厚壁厚附加量2.2.5 压力容器的设计监督管理压力容器的设计监督管理l A类、类、C类和类和SAD类压力容器设计许可证类压力容器设计许可证由
13、国家质检总局批准、颁发；由国家质检总局批准、颁发；l D类压力容器的设计许可证由省级质量类压力容器的设计许可证由省级质量技术监督部门批准、颁发。技术监督部门批准、颁发。表1 压力容器设计许可证的类别、级别划分表类别类别级别级别容器类型容器类型A类类A1级级超高压、高压容器超高压、高压容器A2级级第三类低、中压容器第三类低、中压容器A3级级球形储罐球形储罐A4级级非金属压力容器非金属压力容器C类类C1级级铁路罐车铁路罐车C2级级汽车罐车或长管拖车汽车罐车或长管拖车C3级级罐式集装箱罐式集装箱D类类D1级级第一类压力容器第一类压力容器D2级级第二类压力容器第二类压力容器SAD压力容器分析设计压力容器分析设计
