压力容器设计技术进展-压力容器的应力分析设计

主讲教师：潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院,6.2 压力容器的应力分析设计,I、压力容器的应力分类,慕课课程：Massive Open Online CoursePressure Vessel Design 压力容器设计,第6章 压力容器设计技术进展,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,2,第一节 近代化工容器设计技术进展概述 第二节 压力容器的应力分析设计,第六章 压力容器设计技术进展,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,3,第二节 化工容器的应力分析设计 一、分析设计方法概述 二、容器的应力分类 三、分析设计法对各类应力强度的限制 四、应力分析设计的程序及应用,第六章 压力容器设计技术进展,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,4,二、容器的应力分类 化工容器中的应力进行分类的基本原则是：,第二节 化工容器的应力分析设计,应力产生的原因，是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的； 应力的分布，是总体范围还是局部范围的，沿壁厚的分布是均匀的还是线性的或非线性的； 对失效的影响，即是否会造成结构过度的变形，及是否导致疲劳、韧性失效。 应力分类法将容器中的应力分为三大类： 一次应力； 二次应力； 峰值应力。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,5,二、容器的应力分类 (一) 一次应力P(Primary stress),第二节 化工容器的应力分析设计,一次应力P也称基本应力，是为平衡压力和其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力，可由与外载荷的平衡关系求得，由此一次应力必然直接随外载荷的增加而增加。 对于理想塑性材料，载荷达到极限状态时即使载荷不再增加，仍会产生不可限制的塑性流动，直至破坏。 这就是一次应力的“非自限性”特征。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,6,二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种：,第二节 化工容器的应力分析设计,一次总体薄膜应力Pm (General primary membrane stress),这是指在容器总体范围内存在的一次薄膜应力，在达到极限状态的塑性流动过程中不会发生重新分布。沿壁厚(截面)均匀分布的法向应力即指薄膜应力，或者指沿壁厚截面法向应力的平均值。 一次总体薄膜应力的实例有：圆筒形壳体及任何回转壳体的封头在远离结构不连续部位的由压力引起的薄膜应力、厚壁圆筒由内压产生的轴向应力以及周向应力沿壁厚的平均值。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,7,二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种：,第二节 化工容器的应力分析设计,一次弯曲应力Pm (Primary bending stress),由内压或其他机械载荷作用产生的沿壁厚成线性分布的法向应力。如：平板封头远离结构不连续区的中央部位在压力作用下产生的弯曲应力。 一次弯曲应力与一次总体薄膜应力的不同之处在于沿壁厚的分布是线性的而不是均布的。 对受弯的板，当两个表面的应力达到屈服强度时，内部材料仍处于弹性状态，可以继续承载，此时应力沿壁厚的分布将重新调整。因此这种应力不像总体薄膜应力那样容易使壳体失效，允许有较高的许用应力。对一次弯曲应力可以用极限分析方法作强度校核。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,8,二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种：,第二节 化工容器的应力分析设计,一次局部薄膜应力PL (General local membrane stress),这是指由内压或其他机械载荷在结构不连续区产生的薄膜应力(一次的)和结构不连续效应产生的薄膜应力(二次的)的统称，从保守考虑将此种应力划为一次局部薄膜应力。 例如圆筒中由压力产生的薄膜应力在远离不连续区的地方称一次总体薄膜应力(Pm)，而在不连续区则称为一次局部薄膜应力(PL)。 由总体不连续效应在壳体的边缘区域产生的周向薄膜应力，虽然具有二次应力的性质，但从方便和稳妥考虑仍保守地视为一次性质应力。 永久性支座或接管给予壳体的局部力与力矩而产生的薄膜应力也是一次局部薄膜应力。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,9,二、容器的应力分类 (一) 一次应力P (Primary stress)一次应力还可以再分为如下三种：,第二节 化工容器的应力分析设计,一次局部薄膜应力PL (General local membrane stress),“局部”与“总体”是按经线方向的作用区域来划分的，如果应力强度超过1.1的区域沿经线方向的延伸距离小于1.0Rt，或者两个超过1.1的一次局部薄膜应力区在经线方向的距离不小于2.5Rt，都可以认为是局部的，否则划为总体的。此处R为壳体的第二曲率半径，t为壁厚；若为两个相邻壳体，则R0.5(R1+R2)，t0.5(t1+t2)。 当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布。若不加限制，则当载荷从结构的某一部分(高应力区)传递到另一部分(低应力区)时，会引起过度的塑性变形而失效。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,10,二、容器的应力分类 (二) 二次应力Q (Secondary stress),第二节 化工容器的应力分析设计,二次应力Q是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应力或切应力，基本特征是具有自限性。 筒体与端盖的连接部位存在“相邻部件”的约束，厚壁容器内外壁存在温差时就形成“自身约束”。二次应力不是由外载荷直接产生的，不是为平衡外载荷所必需的，而是在受载时在变形协调中产生的。当约束部位发生局部的屈服和小量的塑性流动使变形得到协调，产生这种应力的原因(变形差)便得到满足与缓和。亦即应力和变形也受到结构自身的抑制而不发展，这就是自限性。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,11,二、容器的应力分类 (二) 二次应力Q (Secondary stress),第二节 化工容器的应力分析设计,二次应力的例子有： 总体结构不连续部位，如筒体与封头、筒体或封头与法兰连接处的不连续应力中的弯曲应力属二次应力； 总体热应力，如圆筒壳中轴向温度梯度所引起的热应力，由接管和与之相接壳体间的温差所引起的热应力，由壳壁径向温差引起的热应力的当量线性分量以及厚壁容器由压力产生的应力梯度，这些都属于二次应力。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,12,二、容器的应力分类 (三) 峰值应力F (Peak stress),第二节 化工容器的应力分析设计,峰值应力F是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆性断裂。 局部结构不连续是指几何形状或材料在很小区域内的不连续，只在很小范围内引起应力和应变增大，即应力集中，但对结构总体应力分布和变形没有重大影响。 结构上的小半径过渡圆角、部分未焊透及咬边、裂纹等缺陷处均有应力集中，均存在附加在一次与二次应力之上的峰值应力。 平板开孔为例，均匀拉伸膜应力为，应力集中系数为Kt，则F (Kt-1),6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,13,第二节 化工容器的应力分析设计,二、容器的应力分类,JB 4732,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,14,第二节 化工容器的应力分析设计,二、容器的应力分类,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,15,第二节 化工容器的应力分析设计,二、容器的应力分类,(1) 部位A 属远离结构不连续的区域，受内压及径向温差载荷。由内压产生的应力分两种情况：当筒体尚属薄壁容器时其应力为一次总体薄膜应力(Pm)；当属厚壁容器时，内外壁应力的平均值为一次总体薄膜应力(Pm)，而沿壁厚的应力梯度划为二次应力(Q)。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,16,第二节 化工容器的应力分析设计,二、容器的应力分类,(1) 部位A 由径向温差引起的温差应力沿壁厚呈非线性分布，近壁面(例如内壁)温差应力的梯度很大，局部区域虽有应力陡增但不会引起壳体发生显著变形。 将非线性分布的温差应力作等效的线性化处理，即按对Or线净弯矩等效的原则作处理可得到等效的线性分布的温差应力，分类为二次应力Q。线性与非线性间的差值分类为峰值应力F，图中标出的F就是这种应力。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,17,第二节 化工容器的应力分析设计,二、容器的应力分类,(2) 部位B 包括Bl、B2及B3等3个几何不连续部位 。 均存在由内压产生的应力，但因处于不连续区，该应力沿壁厚的平均值应划为一次局部薄膜应力(PL)， 应力沿壁厚的梯度为二次应力(Q)。 由总体不连续效应产生的弯曲应力也为二次应力(Q)，而不连续效应的周向薄膜应力应偏保守地划为一次局部薄膜应力(PL) 。 另外由径向温差产生的温差应力已如部位A所述，作线性化处理后分为二次应力和峰值应力(Q+F)。因此Bl、B2和B3各部位的应力分类为(PL+Q+F)。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,18,第二节 化工容器的应力分析设计,二、容器的应力分类,(3) 部位C 内压在球壳与接管中产生的应力(PL+Q)； 球壳与接管总体不连续效应产生的应力(PL+Q)； 径向温差产生的温差应力(Q+F)； 因小圆角(局部不连续)应力集中产生的峰值应力(F)。 总计应为(PL+Q十F)。 由于部位C未涉及管端的外加弯矩，管子横截面中的一次弯曲应力Pb便不存在。 又由于部位C为拐角处，内压引起的薄膜应力不应划分总体薄膜应力Pm，应分类为一次局部薄膜应力PL。,6.4化工容器的应力分析设计-压力容器的应力分类,19,本 节 完,谢 谢 大 家！,慕课课程：Massive Open Online CoursePressure Vessel Design 压力容器设计,6.4化工容器的应力分析设计压力容器的应力分类,