1、2022-11-29第四章第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计4.1 强度设计的基本知识4.2 内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计4.3 内压圆筒封头的设计2022-11-29第四章第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计本章重点：本章重点：内压薄壁圆筒的厚度计算本章难点本章难点：厚度的概念和设计参数的确定计划学时计划学时：8学时2022-11-294.3 内压圆筒封头的设计内压凸形封头种类内压凸形封头种类封头种类封头种类凸形封头凸形封头平板形封头平板形封头锥形封头锥形封头半球形封头半球形封头椭圆形封头椭圆形封头碟形封头碟形封头球冠形封头球冠形封
2、头带折边的锥形封头带折边的锥形封头不带折边的锥形封头不带折边的锥形封头2022-11-294.3 内压圆筒封头的设计4.3.1 半球形封头半球形封头半球形封头是由半球形封头是由半个球壳半个球壳构成。构成。直径较直径较小小、器壁较、器壁较薄薄的半球形封头可的半球形封头可整体热压成形整体热压成形。大大直径的则先直径的则先分瓣冲压分瓣冲压，再，再焊接焊接组合。组合。焊缝焊缝钢板钢板2022-11-294.3.1 半球形封头半球形封头trpD434 citp Dp iDD半球形封头厚度计算公式半球形封头厚度计算公式q优点：优点：薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最
3、理想的结构形式。结构形式。q缺点：缺点：深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。q应用：应用：高压容器高压容器2022-11-294.3.1 半球形封头半球形封头()4cp Diee 4 tepDie 计算应力与最大许用压力2022-11-294.3.2 椭圆形封头椭圆形封头组成：组成：半个椭球面半个椭球面和和短圆筒（直边），高度短圆筒（直边），高度hoho直边的作用：直边的作用：保证封头的制造质量；保证封头的制造质量；避免焊缝处附加边缘应力。避免焊缝处附加边缘应力。椭球部分椭球部分直边直边标准
4、椭圆形封头：长轴半径标准椭圆形封头：长轴半径a a和短轴半径和短轴半径b b之比之比a/ba/b=2=2曲面深度曲面深度h hi i=D=Di i/4/4hih0DN2022-11-294.3.2 椭圆形封头椭圆形封头封头公称直径DN20002000封头直边高度h02540标准椭圆形封头的直边高度标准椭圆形封头的直边高度h0/mm2 0.5ccitp Dp 标准椭圆形封头的标准椭圆形封头的壁厚计算式壁厚计算式：椭圆形封头壁厚计算式：420.5ciiticp DDhp2022-11-294.3.2 椭圆形封头椭圆形封头va/b2，引入形状系数（应力增强系数）K，212()62iiDKh2 0.5
5、ccitKp Dp 见表4-14，椭圆形封头的形状系数K2022-11-294.3.2 椭圆形封头椭圆形封头v计算应力与最大许用压力(0.5)2cp Diee 2 0.5teiepD a/b2时，为预防失稳，标准椭圆形封头的计算厚度不得小于封头内为预防失稳，标准椭圆形封头的计算厚度不得小于封头内径的径的0.15，即：，即：iD10005.1min2022-11-294.3.3 蝶形封头蝶形封头v结构：结构：半径为半径为Rc的的球面体球面体、v 半径为半径为r的过渡的过渡圆弧（即折边）圆弧（即折边）v 高度为高度为h0的的短圆筒（即直边）短圆筒（即直边）Rch0hrDi折边折边直边直边球体部分球
6、体部分2022-11-294.3.3 蝶形封头蝶形封头v优点：优点：过渡圆弧过渡圆弧降低降低了封头了封头深度深度，方便成型方便成型，且压制，且压制碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。v缺点：缺点：不连续曲面，存在不连续曲面，存在较大边缘应力较大边缘应力。边缘应力与。边缘应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳受力状况不佳。Rch0hrDi边缘应力的大小与边缘应力的大小与r/Ri有关，有关，该值越大，边缘应力越小。该值越大，边缘应力越小。通常取通常取Ri=0.9Di，r0.1，且，且r3n封
7、头封头2022-11-294.3.3 蝶形封头蝶形封头强度计算：强度计算：在相同条件下，与椭圆形封头比较，边缘应力大，在相同条件下，与椭圆形封头比较，边缘应力大，封头壁厚大，引入系数封头壁厚大，引入系数M，1(3)4iRMrM：碟形封头的形状系数碟形封头的形状系数Ri：球面内半径：球面内半径 r：折边半径：折边半径r/Rci0.150.170.2M1.41.361.31表表4-16 蝶形封头形状系数蝶形封头形状系数MRih0hirDi2022-11-294.3.3 蝶形封头蝶形封头蝶形封头壁厚计算式：蝶形封头壁厚计算式：2 0.5citcMp Rp 标准蝶形封头：标准蝶形封头：Ri=0.9Di
8、，r=0.17Di此时，此时，M=1.325，1.22 0.5citcp Dp 2022-11-294.3.3 蝶形封头蝶形封头v计算应力与最大工作压力：(0.5)2cieep MR 2 0.5teiepMR 2022-11-29最小壁厚：最小壁厚：碟形封头的厚度如果太薄，也会发生内压下的弹性碟形封头的厚度如果太薄，也会发生内压下的弹性失稳。失稳。M1.34时，时，e0.15%DiM 1.34时，时，e0.30%Di4.3.3 蝶形封头蝶形封头2022-11-294.3 内压圆筒封头的设计例题例：例：为一为一Di=800mm圆筒设计封头。已知：材料圆筒设计封头。已知：材料Q235A，设，设计压
9、力计压力p=1.0MPa，t=200，试确定计算厚度：（，试确定计算厚度：（1）半球）半球形封头；（形封头；（2）标准椭圆封头；（）标准椭圆封头；（3）球面内半径）球面内半径Ri=720mm，折边内半径折边内半径r=108mm的碟形封头；半球形封头的碟形封头；半球形封头=0.85，其余，其余=1。1）半球形封头）半球形封头ticDp 4解：解：查表查表8-6（P167）Q235A在在200时的时的t=2）标准椭圆形封头）标准椭圆形封头mm25.285.010548001ticDp 2mm82.3110528001105MPa2022-11-294.3 内压圆筒封头的设计例题3）碟形封头）碟形封
10、头 结论：凸形封头曲面深度越浅，计算厚度越大（用料结论：凸形封头曲面深度越浅，计算厚度越大（用料越多）。越多）。4.1)3(41rRMiticDMp 2mm81.41105272014.1封头半球形封头标准椭圆形封头蝶形封头壁厚/mm2.253.824.812022-11-294.3.4 锥形封头锥形封头轴对称锥壳轴对称锥壳无折边锥壳无折边锥壳带折边锥壳：有过渡圆弧（折边）带折边锥壳：有过渡圆弧（折边）和直边和直边不带折边锥形封头不带折边锥形封头局部加强的不带局部加强的不带折边锥形封头折边锥形封头带折边锥形封头带折边锥形封头 不带折边锥形封头与筒体连接处存在不带折边锥形封头与筒体连接处存在较大
11、边界应力较大边界应力，尽管连接处附近的边缘应力数值很高，但却具有局部性和自限性，所以这里发生小量的塑性变形是允许的。降低边界应力的方法：降低边界应力的方法：1 1）局部加强）局部加强；2 2）加折边和直边）加折边和直边22cD22022-11-294.3.4 锥形封头锥形封头带折边锥形封头带折边锥形封头2022-11-294.3.4 锥形封头锥形封头受均匀内压的锥形壳体的最大薄膜应力位于受均匀内压的锥形壳体的最大薄膜应力位于锥体大端：锥体大端：22iDsDcos14pDmcos12pD若不考虑封头与圆筒连接处的边界应力，则：若不考虑封头与圆筒连接处的边界应力，则：trpDcos12312 co
12、sctp D 2022-11-294.3.4 锥形封头锥形封头v 将上式中的压力p换成计算压力pc，将锥壳大端中径D换成锥壳计算内径Dc，得到锥壳计算厚度：12 coscctcp Dp Dc 锥壳计算内径，mm，锥壳段大端内径，无折边时，Dc=Di。2022-11-294.3.4 锥形封头锥形封头 22iDsD1、受内压无折边锥形封头（1）锥壳大端当半顶角30时，可采用无折边结构；当半顶角 30时，应采用带过渡段的折边结构，如图4-13。无折边锥壳大端与圆筒连接时，连接处锥壳大端壁厚的确定方法：查图4-152022-11-291、受内压无折边锥形封头v交点位于曲线上方，不必局部加强12 cos
13、cctcp Dp 交点位于曲线下方，需要局部加强，且锥壳和圆筒加强段厚度相同，加强段厚度计算公式：2 citcQp Dp 式中，Q为系数，其值由图4-16查得，中间值用内插法。2022-11-294.3.4 锥形封头锥形封头Qtp/图图4-16 锥形封头大端与圆筒连接处锥形封头大端与圆筒连接处Q值图值图2022-11-291、受内压无折边锥形封头（2 2）锥壳小端）锥壳小端v当半顶角45时，可采用无折边结构；v当半顶角 45时，应采用带过渡段的折边结构，如图4-14。v无折边锥壳小端与圆筒连接时，连接处锥壳小端壁厚的确定方法：查图4-17 交点位于曲线上方时，不需局部加强12 coscctcp
14、 Dp 2022-11-29交点位于曲线下方时，需局部加强，且锥壳和圆筒加强段厚度相同，加强段厚度计算公式2 cistcQp Dp Dis锥壳小端内直径，mm；Q系数，其值由图4-18查得，中间值用内插法。2022-11-294.3.4 锥形封头锥形封头v 当锥壳大端半顶角当锥壳大端半顶角3030，锥壳小端半顶角，锥壳小端半顶角4545，需采用带过渡段的折边结构。需采用带过渡段的折边结构。v 大端折边锥壳的过渡段转角内半径大端折边锥壳的过渡段转角内半径r r：不小于封头大：不小于封头大端内直径端内直径D Di i的的10%10%，且不小于该过渡段厚度的，且不小于该过渡段厚度的3 3倍；倍；v 小端折边锥壳的过渡段转角内半径小端折边锥壳的过渡段转角内半径r r：不小于封头小：不小于封头小端内直径端内直径D Disis的的5 5%，且不小于该过渡段厚度的，且不小于该过渡段厚度的3 3倍。倍。2.受内压带折边锥形封头受内压带折边锥形封头2022-11-29v（1）锥壳大端v折边锥壳大端厚度按以下公式计算，取其较大值。2 0.5citcKp Dp 2 0.5citcfp Dp 式中，K系数，其值由表4-17查得。f系数，其值由表4-18查得。过渡段厚度计算公式：与过渡段相接处的锥壳厚度计算公式：
