壳体的稳定性分析课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,2017/1/23,#,1,壳体,的稳定性分析,1壳体的稳定性分析,2,过程设备设计,1,概述,2,外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析,3,其他回转薄壳的临界压力,2过程设备设计1 概述2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析3 其他,3,过程设备设计,1,概述,一、失稳现象,2,、承受外压壳体失效形式：,强度,不足而发生压缩屈服失效,刚度,不足而发生失稳破坏,（讨论重点）,1,、外压容器举例,（,1,）真空操作容器、减压精馏塔的外壳,（,2,）用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体,3过程设备设计1 概述一、失稳现象2、承受外压壳体失效形式：,4,过程设备设计,3,、失稳现象：,承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，,壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载,荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳,体的,屈曲,（,buckling,）或,失稳,（,instability,）。,定义,:,实质,:,从一种平衡状态跃到另一种平衡状态,;,应力从压应力变为弯应力。,现象,:,横断面由圆变为波浪形，见表,2-5,4过程设备设计3、失稳现象：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增,5,过程设备设计,4,、失稳类型：,弹性失稳,t,与,D,比很小的,薄壁回转壳,，失稳时，器壁的压缩应力通常低于材料的比例极限，称为弹性失稳。,弹塑性失稳,（非弹性失稳）,当回转壳体厚度增大时，壳体中的压应力,超过材料屈服点,才发生失稳，这种失稳称为弹塑性失稳或非弹性失稳。,5过程设备设计4、失稳类型：弹性失稳t与D比很小的薄壁回转壳,6,过程设备设计,本节讨论：受,周向,均匀外压,薄壁,回转壳体的,弹性失稳,问题,5,、,受外压形式：,p,b,周向,p,a,轴向,p,c,周,轴,向,6过程设备设计本节讨论：受周向均匀外压薄壁回转壳体的弹性失稳,7,过程设备设计,二、临界压力,1,、临界压力,壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，用,p,cr,表示。,2,、失稳现象,外载荷达到某一临界值，发生径向挠曲，并迅速增加，,沿周向出现,压扁或波纹,。,见表,2-5,7过程设备设计二、临界压力1、临界压力壳体失稳时所承受的相应,8,过程设备设计,3,、影响,p,cr,的因素：,p,cr,与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件,之间距离,L,有关；,p,cr,随着壳体材料的弹性模量,E,、泊松比,的增大而增加；,非弹性失稳的,p,cr,还与材料的屈服点有关。,对于给定外直径,D,o,和厚度,t,8过程设备设计3、影响pcr的因素：pcr与圆柱壳端部约束之,9,过程设备设计,注意,:,外压容器失稳的根本原因是由于壳体刚度不足，,并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀所致。,即,椭圆度和材料不均匀对失稳的性质无影响，,只影响使,p,cr,。,9过程设备设计注意:外压容器失稳的根本原因是由于壳体刚度不,10,过程设备设计,2,外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析,圆柱壳厚度,t,与半径,D,相比,是小量，位移,w,与厚度,t,相,比是小量,(,),失稳时圆柱壳体的应力仍,处于,弹性范围,。,目的,求,、,理论,理想圆柱壳小挠度理论,线性平衡方程,和挠曲微分方程；,假设,10过程设备设计2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析圆柱壳厚度,11,过程设备设计,工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定性安全系数,m,，,限定外压壳体安全运行的载荷。,该理论的局限,（,1,）壳体失稳的本质是几何非线性的问题,（,2,）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒，存在各种,初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能不均匀等,（,3,）受载不可能完全对称,小挠度线性分析会与实验结果不吻合。,11过程设备设计工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定,12,过程设备设计,外压圆筒分成三类：,长圆筒,L/D,o,和,D,o,/t,较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，,n=2,。,短圆筒,L/D,o,和,D,o,/t,较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，,n,2,。,刚性圆筒,L/D,o,和,D,o,/t,很小时，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。,12过程设备设计外压圆筒分成三类：长圆筒L/Do和Do/t较,13,过程设备设计,一、受均布周向外压的长圆筒的临界压力,二、受均布周向外压的短圆筒的临界压力,三、临界长度,四、周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳,五、形状缺陷对圆筒稳定性的影响,六、非弹性失稳的工程计算,13过程设备设计一、受均布周向外压的长圆筒的临界压力二、受均,14,过程设备设计,一、受均布周向外压的长圆筒的临界压力,思路：通过推导圆环临界压力，变换周向抗弯刚度，即可倒出长圆筒的,1,、圆环的挠曲微分方程,b,、圆环的力矩平衡方程,:,(2-86),式,（模型见,2-39,）,a,、圆环的挠曲微分方程,:(,2-82),式,c,、圆环的挠曲微分方程,(,2-87),式,14过程设备设计一、受均布周向外压的长圆筒的临界压力思路：通,15,c,、圆环的挠曲微分方程：,(,2-87),式,圆环失稳时的临界压力 ：,2,、仅受周向均布外压的长圆筒临界压力计算公式：,（,2-90,）,圆筒抗弯刚度 代替,EJ,，,用,D,O,代替,D,，,长圆筒临界压力：,长圆筒临界应力：,（,2-92,）,（,2-93,）,15c、圆环的挠曲微分方程：(2-87)式圆环失稳时的临界压,16,注意：,2-92,，,2-93,均在,小于比例极限时适用,16注意：2-92，2-93均在,17,过程设备设计,注意,:,见图,2-41,AB D/t,，薄壁圆筒,/,弹性失稳,/,各类钢,E,接近 采用高强钢对提高圆筒的稳定性不显著,BC,D/t,，厚壁圆筒,/,屈服失效,/,提高 可提高承载能力,采用高强钢经济。,17过程设备设计注意:见图2-41,18,二、受均布周向外压的短圆筒的临界压力,（,2-97,）,拉姆公式，仅适合弹性失稳,过程设备设计,18二、受均布周向外压的短圆筒的临界压力（2-97）拉姆公式,19,过程设备设计,比较：,a.Mises,式,(2-94),:,对长、短圆筒均适用。,b.Pamm,式,(2-97),:,只适用于短圆筒,且,弹性失稳,c.Bresse,式,(2-92),:,只适用于长圆筒,且,弹性失稳,19过程设备设计比较：a.Mises 式(2-94):,20,三、临界长度,L,cr,区分长、短圆筒用特征长度,L,cr,L,L,cr,长圆筒,L,L,21,四、周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳,a,、受均布轴向压缩载荷圆筒的临界应力,现象：,非对称失稳,对称失稳,临界应力经验公式：,修正系数,C=0.25,（,2-101,）,过程设备设计,21四、周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳a、受均布轴向压缩,22,b,、联合载荷作用下圆筒的失稳,一般先确定单一载荷作用下的失效应力，计算单一载荷引起的应力和相应的失效应力之比，再求出所有比值之和。,若比值的和,1,，则筒体不会失稳,若比值的和,1,，则筒体会失稳,过程设备设计,22b、联合载荷作用下圆筒的失稳 一般先确定单,23,五、形状缺陷对圆筒稳定性的影响,圆筒形状缺陷：,不圆,局部区域中的折皱、鼓胀、凹陷,影响,:,内压下，有消除不圆度的趋势,外压下，在缺陷处产生附加的弯曲应力,圆筒中的压缩应力增加,临界压力降低,实际失稳压力与理论计算结果不很好吻和的主要原因之一,对圆筒的初始不圆度严格限制,过程设备设计,23五、形状缺陷对圆筒稳定性的影响圆筒形状缺陷：不圆局部区域,24,过程设备设计,六、,非弹性失稳的工程计算,近似利用材料 时的“压缩,应变”曲线上的切线,模量 代替长、短圆筒 式中的弹性模量,注意,:,弹性失稳,与材料强度无关,与,E,有关，但变化不大,各类钢,E,接近 采用高强钢对提高圆筒的稳定性不显著,非弹性失稳,与材料强度有关,变化大,采用高强钢经济,使 。,24过程设备设计六、非弹性失稳的工程计算 近似利用,25,3,其他回转薄壳的的临界压力,半球壳,椭球壳,碟形壳,锥壳,过程设备设计,253 其他回转薄壳的的临界压力半球壳椭球壳碟形壳锥壳过程,26,1.,半球壳,经典公式：,（,2-102,）,（,2-103,）,过程设备设计,261.半球壳经典公式：（2-102）（2-103）过程设,27,2.,椭球壳和碟形壳临界压力,碟形壳：,同球壳计算，但,R,用碟形壳中央部分的外半径,R,O,代替,椭球壳：,同碟形壳计算，,R,O,=K,1,D,O,K,1,见第四 章,(,表,4-5),过程设备设计,272.椭球壳和碟形壳临界压力碟形壳：同球壳计算，但R用碟,28,锥壳,（,2-106,）,注意：,L,e,锥壳的当量长度；见表,2-6,D,L,锥壳大端外直径,D,S,锥壳小端外直径,T,e,锥壳当量厚度,或锥壳上两刚性元件所,在处的大小直径,适用于：,若,按平板计算，平板直径取锥壳最大直径,过程设备设计,28 锥壳（2-106）注意：Le锥壳的当量长度；见表2,29,过程设备设计,注意,:,除受外压作用外，只要壳体,在较大区域内存在压缩薄膜,应力，也有可能产生失稳。,例如：塔受风载时，迎风侧产生拉应力，而背风侧产生,压缩应力，当压缩应力达到临界值时，塔就丧失,稳定性。,受内压的标准椭圆形封头，在赤道处 为压应力,可能失稳。,即：不仅受外压的壳体可能失稳，受内压的壳体也可能,失稳。,29过程设备设计注意:除受外压作用外，只要壳体在较大区域内,