过程设备设计第四章-(4.4)概要

1第四章压力容器设计CHAPTERⅣDesignofPressureVessels4.4分析设计24.1概述4.2设计准则4.3常规设计4.4分析设计4.5疲劳分析4.6压力容器设计技术进展4.4.3应力强度计算4.4.4应力强度限制4.4.5分析设计的应用4.4.2压力容器的应力分类4.4.1概述3过程设备设计4.4分析设计压力容器设计规则设计分析设计GB150《钢制压力容器》JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》4过程设备设计4.4.1概述例如：成本↑，热，甚至掩盖问题实质（裂纹）。一、常规设计局限性：1.未对容器整体的各处应力作确切的数值计算，且所采用的应力限制条件并未区分应力性质，而是采用统一强度限制条件。2.只考虑一次施加的静载，没有考虑疲劳寿命问题和热应力，因而不能确切反映不同性质的应力对容器失效所引起的不同影响。3.无法校核容器的疲劳寿命。4.仅靠采用或办法控制材料在弹性范围内是不合理的,也是不现实的，有时甚至起到相反作用。n5.规定了具体的容器结构形式，无法应用于规范中未包含的其它容器结构和载荷形式，不利于新型设备的开发和使用。∴提出新的设计观点—分析设计方法5二、分析设计的基本思想应力分类法分析设计结构应变法基于失效模式的直接法载荷系数法6应力分类法的基本思想1.详细分析并计算各种应力，然后进行应力分类，且对不同类型应力按不同的设计准则来限制，合理地采用了区别对待的方法。2.采用了疲劳分析，重视了在压力、温度波动的条件下，容器因受循环载荷而可能遭受的破坏。∴是先进合理的方法。缺点：计算工作量大，对材料性能、焊缝检验和容器操作运行更加严格的要求。过程设备设计7过程设备设计三、容器的载荷与应力对失效的影响载荷σ产生原因求解方法σ范围，σ沿δ分布对失效影响1.压力载荷p总体，均布2.机械(除p)外加机械载荷3.总体不连续效应相互约束变形协调局部，非均弹～塑性失效（材料部分失效）/iopp外加外载内力平衡ip弹失效屈服总体塑失效爆破op总体失稳整风/震局-支反力外载内力平衡整体，非均局部，非均弹失效(局部范围)或塑几何外载突变材质8过程设备设计载荷σ产生原因求解方法σ范围，σ沿δ分布对失效影响自身约束变形协调弹～塑性失效（材料部分失效）5.局部结构不连续效应应力集中极小局部，非线(衰减快)主要—疲劳失效开孔边缘接管根部小圆角过渡区4.t径向轴向,tt总非均局理论-弹性力学法实验测定常用-数值解9过程设备设计四、应力分析法主要特点：1.目的:提高容器安全可靠性省材结果2.基础出发点:区分应力不同性质，采用不同的强度条件加以限制。3.强度判据:采用最大剪应力理论（第三强度理论）作为判据4.采用较高的许用应力:,提高有效载荷,重量5.给出防止疲劳失效的设计方法及相应的设计曲线。五、应力分析法基础:1.弹性与塑性应力分析2.应力分类3.对材料、制造、检验更严格的要求。4.严格质量控制。10过程设备设计4.4.2容器的应力分类分类原则:根据应力产生的原因应力分布对失效影响分为一次应力P二次应力Q峰值应力F㈠、一次应力P定义:由外载（压力和其它机械载荷）在容器中产生的应力（正应力或剪应力）特点:1）满足外载～内力平衡2）非自限：载荷包括:一次总体薄膜应力Pm一次局部薄膜应力PL一次弯曲应力Pb11过程设备设计弯曲应力(Pb)特点:沿δ呈线性分布/总体范围/内外表面屈服后,若载荷升高，应力沿厚度分布重新调整,∴危害小;限制宽例:平封头中心部位由pi引起的应力一次应力薄膜应力(P)总体(Pm)局部(PL)特点:存在于总体范围内/沿δ均布/危害最大/限制条件严例:薄壁厚壁特点:存在于局部范围;沿δ均布;危害较小;限制条件宽例:pi→在不连续区产生的薄膜应力;结构不连续效应→薄膜应力;z12过程设备设计㈡、二次应力Q：定义:由容器自身或相邻部件约束产生的正应力或剪应力特点:1）满足变形协调条件2）具有自限性：局部屈服→相邻部分约束缓解→变形协调→σ、变形不再继续增大。所以危害更小/限制变宽例:1）总体不连续处弯曲应力()弯薄边缘＋＝2）总体t13㈢、峰值应力F定义:由局部结构不连续和局部热应力引起的而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。特点:1)高度局部性，与筒体δ一个数量级2)σ沿δ非线性分布，不会引起整个结构的明显变形。3)是导致疲劳破坏、脆性断裂的可能根源→限制较严4)一般设计中不考虑，只有在疲劳分析中才加以限制。例:1)局部不连续总应力中扣除一次和二次应力后的剩余部分。例:平板开孔受均匀拉伸maxtKmaxtLbKPPQF00bLPQP，，1tFK2)结构的小热点处(如加热蛇管、容器壳壁连接处)的热应力。过程设备设计14过程设备设计3)碳钢容器内壁奥氏体堆焊层或衬里中的热应力。4)厚壁圆筒中径向温度梯度引起的热应力中的非线性分量。5)复合钢板中因复层与基体线膨胀系数不同而在复层中引起的热应力。注意:只有韧性较高的材料,允许出现局部塑变,上述分类才有意义(即应力分类的前提条件是材料为塑性材料);若是脆性材料,P和Q影响没有明显不同,应力分类就没有意义;压缩应力主要与容器稳定性有关，也不需分类。压力容器典型部位的应力分类：见表4-1615过程设备设计1.应力强度S压力容器的强度设计和计算中，必须根据强度理论建立各个主应力与许用应力之间的关系引进应力强度的概念应力强度:最大主应力与最小主应力之差分类:,,,ISIISIIISIVSandVS(1)一次总体薄膜应力强度SⅠ(Pm)(2)一次局部薄膜应力强度SⅡ(PL)(3)一次薄膜(总体或局部)加一次弯曲应力强度SⅢ(PL+Pb)(4)一次加二次应力强度SⅣ(PL+Pb+Q)(5)峰值应力强度SⅤ(PL+Pb+Q+F)4.4.3应力强度计算16过程设备设计2.应力强度计算步骤⑴找6个应力分量:(,,)mLbPPPPQF每个符号代表6个应力分量33个正应力个剪应力xzxxzz，，，，⑵各类同向应力→代数叠加；123、和，取⑶计算各自的主应力:＞123＞⑷按最大剪应力理论计算应力强度：31SImSPSPLLbPPSⅢLbPPQSⅣⅤLbPPQFS17过程设备设计4.4.4应力强度限制1.设计应力强度mSbbtstsssmnnnS,,min比较snbntsn常规设计2.71.51.5分析设计2.61.51.5182.极限分析假设:1)小变形2)材料是理想弹塑性材料3)简单加载:外载和应力按同一比例增加的加载。含义:容器在某一载荷下整体屈服，结构达到极限承载能力。（塑性失效）解决:1)极限载荷求2)虚拟弹性应力定3)限制条件目的:确定SⅢ的限制条件:1.5mSKSⅢ求解方法:以矩形截面梁为例/纯弯曲拉弯组合达到塑性失效极限载荷限制条件过程设备设计19过程设备设计⑴纯弯曲：研究对象—矩形截面（宽b、高h），受纯弯曲梁。外载——弯矩M20过程设备设计PMMMM求上下表面屈弹区全塑性,极限载荷限制其余弹区塑区(PM“弹”观点失效“塑”观点不失效“塑”观点失效（）“塑”不失效仍可承载不能再增加）计算:1)只上、下表面max26:ssMbh26esbhM2)eeM下上塑:弯矩6)2()22(22ehbehbeMss6)2()(2ehbehbess3)2heM(全屈服):极限载荷42bhMsP比较：ePMM5.1虚拟弹性应力：2max241.56spsbhMbhW21过程设备设计设计:有安全裕度，两边同除ns＝1.5→限制值限制条件:maxmax1.51.51.51.5smS1.5bmPS拉弯⑵联合作用：类似分析：PL+Pb≤1.5Sm所以SⅢ≤1.5KSm…安全22过程设备设计3.安定性分析安定性—指结构在载荷的反复变化过程中，变形趋于稳定，不会出现塑性变形的连续循环，则认为结构是安定的。丧失安定后的结构会在反复加载卸载中引起新的塑性变形，导致塑性疲劳或大变形而发生破坏。目的—确定压力容器对Q的限制值假设—同极限设计准则①小变形②理想塑材③简单加载⑴112ssE＜＜：(图4-63(a)):OABOABCBCAB加载第一次循环卸载第一次加载“塑变”23过程设备设计Themaximumstressrangeforshakedownis12s，asmsS5.1，thelimitforprimaryplussecondarystressis3Sm.-ss1s2s1s1s12sB’CBAOB’FECDBAO（a）(b)Fig.4-63Shakedownanalysis24过程设备设计:,CBBCBC加载第二次以后循环完全弹性无新塑变卸载安定112sE＞：(图4-63(b))⑵:OABOABCDBCDAB加载第一次循环卸载第一次加载“塑变”:DEBBCDDEBCDEBCD加载卸载第二次以后循环拉塑变压塑变反复→塑性疲劳不安定25过程设备设计⑶112sE：同情形⑴—安定状态OABC—不出现反向屈服的最大回线结论:1122ss安定不安定＞1221.53smmSS即:SⅣ≤3Sm—结构安定264.应力强度限制⑴控制各种应力及其组合的目的是：a.控制一次应力极限是为了防止过分弹性变形，包括稳定在内。b.控制一次应力与二次应力叠加的极限是为了防止过分的弹性变形的增长性破坏—塑性不安定（塑性疲劳）。c.控制峰值应力极限的目的是防止由周期性载荷引起的疲劳破坏.所以要对各类应力提出限制条件。过程设备设计27⑵应力强度限制条件：单独校核:mmIKSSKSS5.1K—载荷组合系数，与载荷和组合方式有关，K=1.0～1.25组合校核:1.5IIImSKS（塑性分析-极限分析导出）3(IVmSS塑性分析安定性分析导出）(VaSS疲劳分析确定）当各类应力同时存在时，上面五个条件同时满足。28Useoperatingloads1.5KSm1.5KSm3SmSaKSmUsedesignloads过程设备设计StressCategoryPrimarySecondaryMembraneplusBendingPeakGeneralMembraneLocalMembraneBendingSymbolPmPLPbQFCombinationofstresscomponentsandallowablelimitsofstressintensitiesPL+Pb+QSⅤSⅣSⅢSⅡPL+Pb+Q+FPLPL+PbSⅠPm29过程设备设计4.4.5分析设计的应用一、分析设计的设计程序（步骤）结构分析应力分析应力分类计算应力强度校核应力强度1.结构分析:a.哪些部位需按应力分析法？b.该部位有哪些应力？c.可能失效形式？2.应力分析:a.受载（p、机、热）？b.边界条件？c.区分载荷设计工作d.建立力学分析模型e.计算各部分σ30过程设备设计3.应力分类:根据σ对失效作用分类,:mLbPPPPQF、、三类4.计算应力强度:a.各类同向σ叠加13求、b.按第三强度理论13S求5.校核应力强度:单项及组合S校核1.51.5ImIImIIImSKSSKSSKS3IVmVaSSSS→按设计载荷→按工作载荷31过程设备设计载荷组合系数K