过程设备设计-第三版-教学PPT

第四章压力容器应力设计第四节分析设计压力容器的设计常规设计分析设计GB150-1998《钢制压力容器》JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》第四章压力容器应力设计1、载荷性质载荷常规设计分析设计静载荷√√交变载荷×√2、应力计算应力计算常规设计分析设计计算方法简单的公式计算解析法,数值法,实验法研究的对象壳体设备上的所有点常规设计的局限性一、概述第四章压力容器应力设计3、容器的结构形式标准常规设计分析设计结构形式某些规定的结构形式任何结构分析设计的基本思想2、如果能够对应力进行更严格而详细的计算,压力容器的设计就能够做到更合理、更科学。1、不同种类的应力对容器失效的影响各不相同第四章压力容器应力设计二、压力容器的应力分类应力分类应力分类的依据:对容器强度失效所起作用的大小判断的依据:(1)应力的作用区域和分布形式(2)应力产生的原因主要的应力形式:一次应力,二次应力,峰值应力第四章压力容器应力设计定义:为平衡外加机械载荷而产生的力;必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系基本特征:非自限性一次应力可分为:一次总体薄膜应力(Pm),一次局部薄膜应力(PL),一次弯曲应力(Pb)1、一次应力(P)第四章压力容器应力设计一次弯曲应力(Pb)一次弯曲应力的一个典型实例是平封头中部在压力作用下产生的弯曲应力.一次应力薄膜应力一次总体薄膜应力(Pm)一次局部薄膜应力(PL)一次总体薄膜应力是在容器总体范围内存在的薄膜应力，在容器筒体或封头在整体范围内发生屈服后，应力不重新分配。一次总体薄膜应力的一个实例为承受内压的圆柱形筒体。一次局部薄膜应力的例子有：在容器的支座或接管处由外部的力或力矩引起的薄膜应力.第四章压力容器应力设计2、二次应力(Q)定义:由相邻部件的约束或结构自身的约束引起的应力基本特征:自限性3、峰值应力(F)定义:分析区域内的最大应力值基本特征:不引起任何明显的变形，其有害性仅是可能引起疲劳或脆性断裂第四章压力容器应力设计表4-15压力容器典型部位的应力分类容器部件位置应力的起因应力的类型符号圆筒或球形壳体远离不连续处的壳体内压一次总体薄膜应力沿厚度的应力梯度-二次应力PmQ轴向温度梯度薄膜应力-二次应力弯曲应力-二次应力QQ与封头或法兰的连接处内压局部薄膜应力-一次应力弯曲应力-二次应力PLQ在接管或其它开孔附近外部载荷或力矩，或内压局部薄膜应力-一次应力弯曲应力-二次应力峰值应力PLQF第四章压力容器应力设计容器部件位置应力的起因应力的类型符号碟形封头或锥形封头顶部内压一次总体薄膜应力一次弯曲应力PmPb过渡区或与筒体连接处内压一次局部薄膜应力弯曲应力-二次应力PLQ平盖中心区内压一次总体薄膜应力一次弯曲应力PmPb与筒体连接处内压局部薄膜应力-一次应力弯曲应力-二次应力PLQ表4-15压力容器典型部位的应力分类（续）第四章压力容器应力设计RoRiOsq平均应力应力梯度图4-62内压厚壁圆筒环向应力的分解第四章压力容器应力设计RoRiOsqt当量线性应力图4-63外加热厚壁圆筒环向热应力的线性化处理峰值应力第四章压力容器应力设计五类基本的应力强度三、应力强度计算ISIISIIISIVSVS(1)一次总体薄膜应力强度SⅠ，(2)一次局部薄膜应力强度SⅡ(3)一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力（PL+Pb）强度SⅢ(4)一次加二次应力（PL+Pb+Q）强度SⅣ(5)峰值应力强度SⅤ（由PL+Pb+Q+F算得）1、应力强度:该点最大主应力与最小主应力之差第四章压力容器应力设计2、应力强度计算步骤(1)在所考虑的点上，选取一正交坐标系，如经向、环向和法向分别用下标x,θ,z表示，用σx,σθ和σz表示该坐标系中的正应力，τxθ、τxz、τzθ表示该坐标系中的切应力。(2)计算各种载荷下的各应力分量，并根据定义将各组应力分量归入以下类别：Pm,PL,Pb,Q和F。(3)将各类应力按同种分量叠加，分别得到：mPLPbLPPQPPbLFQPPbL第四章压力容器应力设计(4)计算主应力σ1,σ2和σ3，取σ1σ2σ3.(5)计算每组的最大主应力差3113sss13s即为分别与mPLP,bLPPQPPbLFQPPbL,,,相对应的应力强度ISIISIIISIVS和VS。,,,第四章压力容器应力设计四、应力强度限制设计应力强度ssnststsnsbbnsSm=min(,,)ss常温下材料的最低屈服点；bs常温下材料的最低抗拉强度;tss设计温度下材料的屈服点；sn,,tsnbn为相应的材料设计系数.JB4732规定5.1tssnn,6.2bn第四章压力容器应力设计极限分析和安定性分析全塑性(Mp)极限分析和安定性分析主要是为了确定应力强度许用值.ssssss虚拟弹塑性弹性(Me)Mbh图4-64纯弯曲矩形截面梁的极限分析第四章压力容器应力设计42bhMsps且epMM5.1spbhMss5.162'max所以弯曲应力的上限，即屈服点σs为1.5Sm第四章压力容器应力设计安定性分析可见,保证结构安定的条件是ss12s,由于，分析设计中将一次加二次应力强度限制在3Sm内。s-sssse1ess2sss1eese1essss12ssB’CBAOB’FECDBAO（a）(b)图.4-65安定性分析msS5.1s第四章压力容器应力设计用工作载荷1.5KSm1.5KSm3SmSaKSm用设计载荷应力强度限制PL+Pb+QSⅤSⅣSⅢSⅡPL+Pb+Q+FPLPL+PbSⅠPm应力种类一次应力二次应力峰值应力总体薄膜局部薄膜弯曲符号PmPLPbQF应力分量的组合和应力强度的许用极限第四章压力容器应力设计五、分析设计的应用压力容器分析设计的一般步骤结构设计建立力学分析模型应力分析应力分类应力强度计算应力强度校核第四章压力容器应力设计分析设计标准的应用(1)压力高，直径大的容器;(2)受疲劳载荷作用的容器;(3)结构复杂或结构特殊的容器.常规设计标准和分析设计标准是两个相互独立的标准.它们都可以用在压力容器的设计中，但两者不能混用。一般认为在下列情况之一，可考虑采用分析设计标准。第四章压力容器应力设计第五节疲劳设计自学第四章压力容器应力设计简要介绍压力容器的优化设计计算机辅助设计可靠性设计第六节压力容器设计技术进展第四章压力容器应力设计设计参数：强度指标、零部件的尺寸、所受的载荷等。目前设计状况：把各种参数作为确定量，忽略了由于各种条件的变化而使这些参数发生变化的随机因素。设计的压力容器及零部件的结构尺寸偏大，造成不必要的浪费。一、可靠性设计第四章压力容器应力设计设计中考虑各种随机因素的影响，将全部或部分参数作为随机变量处理，对其进行统计分析并建立统计模型，运用概率统计方法进行设计计算，全面描述设计对象，使结果更符合实际情况。1、可靠性设计定义特点：用概率统计方法进行设计第四章压力容器应力设计判据：应力作用效果大于强度，则设计对象失效；反之，设计对象可靠。2、可靠性设计的几个概念：可靠性设计中，认为所设计的对象总存在着一定的失效可能。施加于装置或零部件上的物理量，如各种机械载荷、热载荷、介质特性等，所有可能引起设计对象失效的因素，一概称之为应力。所有阻止设计对象失效的因素，即装置或零部件能够承受这种应力的程度称为强度或抗力。失效可能应力强度或抗力第四章压力容器应力设计二、优化设计1、传统设计过程拟定一个设计方案判断是否满足规范和预先规定的要求进行结构分析，计算出各种载荷作用下的结构响应形状规则的承压元件，利用规范标准中的计算公式确定尺寸，对局部结构则根据经验确定形状和估算尺寸调整形状或尺寸，重新进行计算校核满足要求不满足要求第四章压力容器应力设计当影响设计的因素很多时，只能得到有限候选方案中的最好方案，不可能得到一切可能方案的“最优设计方案”。结果：传统设计方法仅限于方案比较，是一个试凑的过程。第四章压力容器应力设计2、压力容器优化设计根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合方式或“自动探索”方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案。优化设计（最优化设计）设计方法：最优化数学方法设计原则：最优设计设计手段：计算机及计算程序第四章压力容器应力设计压力容器优化设计：在给定基本结构形式、材料和载荷的情况下，确定结构的形状或尺寸，使某项或几项设计指标取得最优值。实质：在满足一定约束的条件下，选取适当的设计变量，使目标函数的值最小。目标函数可以是最轻重量、最低寿命周期费用、最小应力集中系数和其它指标。优化设计可以在保证压力容器安全的情况下，有效减轻压力容器重量、降低成本、延长寿命。第四章压力容器应力设计约束条件大致可分为两类：设计变量上的尺寸限制和状态参数的限制。常用等式或不等式表示。设计变量尺寸限制：源于生产工艺上的要求和原材料的供货状况，如钢板厚度、卷板机的卷板能力等；状态参数的限制：来源于设计规范、标准、连续性、相容性等要求，如应力不能超过许用应力、许用外压应大于设计外压等。第四章压力容器应力设计如带标准椭圆形封头的圆筒形立式储罐，为节省材料，优化设计时常以最小质量为目标函数。约束条件一般包括：满足容积要求；封头和筒体的厚度应满足强度、最小厚度和钢板规格要求；内直径应在容器公称直径中选取等。质量是内直径、长度、厚度等设计变量的函数第四章压力容器应力设计CAD（ComputerAidedDesign）技术得到了普遍推广应用压力容器属于多品种、单件或小批量生产的产品，采用CAD技术，设计师可以更方便地表达设计思想，减少简单重复劳动，缩短设计周期和交货期，提高设计的效率和质量。目前压力容器的CAD系统中参数化设计模块化设计三、计算机辅助设计第四章压力容器应力设计模块化设计在功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块选择与组合，在一定范围内根据不同功能构成不同性能、不同规格的系列产品。优点：缩短概念设计周期，提高产品的灵活性和适应性，快捷地响应用户的多品种、小批量的需求。模块化设计包括：模块的创建和模块的综合两个过程。模块创建：功能模块的划分过程和功能模块的结构设计过程.模块综合：根据具体设计要求，进行功能分解，即从模块集中选择合适的模块实现分解功能，并最终将分功能模块组合形成产品。第四章压力容器应力设计具有强有力的草图设计、尺寸驱动等功能，已成为概念设计、系列化设计的有效手段。目前许多CAD系统也具有一定的参数化设计功能，如国际上流行的Pro/Engineer、I-DEAS等系统。适用于结构形状比较固定，尺寸关系可用一组参数来确定的定型系列产品和标准零部件（如筒体、封头、支座、法兰等）的设计。参数化设计压力容器参数化设计第四章压力容器应力设计压力容器组成筒体封头接管法兰支座等分析和归类特征参数用程序化绘图软件结合其它系统模块总装图、零部件图标准系列尺寸零件采用参数化设计形状复杂且相对固定零部件采用模块参数化设计第四章压力容器应力设计过程设备设计计算机辅助工程（CAE：ComputerAidedEngineering）计算机辅助工程（CAE：ComputerAidedEngineering）传统计算机辅助设计（CAD：ComputerAidedDesign）第四章压力容器应力设计20,000lbs.面积=1.0in.2拉杆试验20,000lbs.第四章压力容器应力设计非线性分析第四章压力容器应力设计•热分析：用于确定物体的温度分布。其他感兴趣的包括热损失或获得的量，热梯度、热通量等也可以获得。第四章压力容器应力设计•计算流体动力学(CFD)–确定流体的流动及温度分布–ANSYS/FLOTRAN可以模拟层流和湍流，可压和不可压缩流动及多组份流体–应用:航空航天，电子封装，汽车设计–典型量包括速度、压力、温度及对流换热系数第四章压力容器应力设计•显示动力学ANSYS/LS-DYNA–侧重惯性力占主导的大变形模拟–用于模拟冲击、碰撞、跌落、爆炸、快速成型等高度非线性问题第四章压力容器应力设计随着计算机能力的