厚壁圆筒应力分析.ppt

1,2、压力容器应力分析,2.3 厚壁圆筒应力分析,CHAPTER STRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELS,2,2.3.1 弹性应力,2.3.2 弹塑性应力,主要内容,2.3.3 屈服压力和爆破压力,2.3.4 提高屈服承载能力的措施,2.3 厚壁圆筒应力分析,3,厚壁容器：,应力,径向应力不能忽略，处于三向应力状态；应力仅是半径的函数。,分析方法,8个未知数，只有2个平衡方程，属静不定问题，需平衡、几何、物理等方程联立求解。,2.3 厚壁圆筒应力分析,位移,周向位移为零，只有径向位移和轴向位移,径向应变、轴向应变和周向应变,应变,4,2.3.1 弹性应力,p0,图2-15 厚壁圆筒中的应力,2.3 厚壁圆筒应力分析,研究在内压、外压作用下，厚壁圆筒中的应力。,5,2.3.1 弹性应力,一、压力载荷引起的弹性应力,二、温度变化引起的弹性热应力,以轴线为z轴建立圆柱坐标。 求解远离两端处筒壁中的三向应力。,2.3 厚壁圆筒应力分析,6,一、压力载荷引起的弹性应力,1、轴向（经向）应力,对两端封闭的圆筒，横截面在变形后仍保持平面。所以，假设轴向应力沿壁厚方向均匀分布，得：,（2-25）,2.3 厚壁圆筒应力分析, A,7,2、周向应力与径向应力,由于应力分布的不均匀性，进行应力分析时，必须从微元体着手，分析其应力和变形及它们之间的相互关系。,2.3 厚壁圆筒应力分析,应 力,8,a. 微元体,如图2-15(c)、(d)所示，由圆柱面mn、m1n1和纵截面mm1、nn1组成，微元在轴线方向的长度为1单位。,b. 平衡方程,（2-26）,2.3 厚壁圆筒应力分析,9,c. 几何方程 (应力应变）,2.3 厚壁圆筒应力分析,10,c. 几何方程（续）,径向应变,周向应变,变形协调方程,（2-27）,（2-28）,2.3 厚壁圆筒应力分析,11,d. 物理方程,（2-29）,2.3 厚壁圆筒应力分析,12,e. 平衡、几何和物理方程综合求解应力的微分方程,2.3 厚壁圆筒应力分析,（233）,13,边界条件为：当 时， ； 当 时， 。,由此得积分常数A和B为：,2.3 厚壁圆筒应力分析,14,周向应力,径向应力,轴向应力,（2-34）,称Lam（拉美）公式,2.3 厚壁圆筒应力分析,15,表2-1 厚壁圆筒的筒壁应力值,2.3 厚壁圆筒应力分析,16,图2-17 厚壁圆筒中各应力分量分布,(a)仅受内压 (b)仅受外压,2.3 厚壁圆筒应力分析,17,仅在内压作用下，筒壁中的应力分布规律：,周向应力 及轴向应力 均为拉应力（正值）， 径向应力 为压应力（负值）。,2.3 厚壁圆筒应力分析,18,2.3 厚壁圆筒应力分析,19,除 外，其它应力沿壁厚的不均匀程度与径比K值有关。 以 为例，外壁与内壁处的 周向应力 之比为： K值愈大不均匀程度愈严重， 当内壁材料开始出现屈服时， 外壁材料则没有达到屈服， 因此筒体材料强度不能得到充分的利用。,2.3 厚壁圆筒应力分析,20,例题,21,讨论,22,二、温度变化引起的弹性热应力,2.3 厚壁圆筒应力分析,23,1、热应力概念,因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力，称为热应力。,单向约束：,双向约束：,三向约束：,2.3 厚壁圆筒应力分析,（235）,（236）,（237）,24,三维、二维、一维热应力比值 2.50：1.43：1.00,25,温度变化引起的弹性热应力,26,2、厚壁圆筒的热应力,厚壁圆筒中的热应力由平衡方程、几何方程和物理方程，结合边界条件求解。,当厚壁圆筒处于对称于中心轴且沿轴向不变的温度场时，稳态传热状态下，三向热应力的表达式为：,（详细推导见文献11附录）,2.3 厚壁圆筒应力分析,27,2、厚壁圆筒的热应力,2.3 厚壁圆筒应力分析,28,厚壁圆筒各处的热应力见表2-2， 表中,2.3 厚壁圆筒应力分析,29,表2-2 厚壁圆筒中的热应力,2.3 厚壁圆筒应力分析,30,图2-20 厚壁圆筒中的热应力分布,（a）内部加热 (b)外部加热,2.3 厚壁圆筒应力分析,31,厚壁圆筒中热应力及其分布的规律为：, 热应力大小与内外壁温差成正比,取决于壁厚，径比K值愈大 值也愈大，表2-2中的 值也愈大。,热应力沿壁厚方向是变化的,2.3 厚壁圆筒应力分析,32,3、内压与温差同时作用引起的弹性应力,（2-39）,具体计算公式见表2-3，分布情况见图2-21。,2.3 厚壁圆筒应力分析,33,表2-3 厚壁圆筒在内压与温差作用下的总应力,2.3 厚壁圆筒应力分析,34,图2-21 厚壁筒内的综合应力 （a）内加热情况；(b)外加热情况,2.3 厚壁圆筒应力分析,内加热内壁应力叠加后得到改善，外壁应力有所恶化。 外加热则相反，内壁应力恶化，外壁应力得到很大改善。,35,4、热应力的特点,a. 热应力随约束程度的增大而增大,b. 热应力与零外载相平衡，是自平衡应力 （Self- balancing stress）,c. 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变 可使热应力降低,d. 热应力在构件内是变化的,2.3 厚壁圆筒应力分析,36,减小热应力的措施,1、控制设备的加热和冷却速度,2、控制和减小构件的热变形约束,3、设置膨胀节,4、采用良好的保温层,37,38,39,