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过程装备设计题库注：本版本为beta1.4版，并未完善，余下部分请自行解决或等待版本更新。Staff：陈锦军、狄洪亮、张文远、周圣健（顺序不分先后←_←）本题库为以上成员辛勤劳作的成果。1.针对图1-1，说明压力容器主要由哪几部分组成？各部分起什么作用？筒体:用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头:与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置:保证承压容器不泄漏。开孔与接管:满足工艺要求和检修需要。支座:支承并把压力容器固定在基础上。安全附件:保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。2.举例说明什么是静设备，什么是动设备。动设备包括泵、风机、压缩机等靠机械动力运行的设备。静设备包括塔类、搅拌罐、反应器、换热器等3.分别说明，低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器的压力范围。低压(代号L)0.1MPa≤p＜1.6MPa；中压(代号M)1.6MPa≤p＜10.0MPa；高压(代号H)10.0MPa≤p＜100.0MPa；超高压(代号U)p≥100.0MPa。4.对于压力容器内的介质，第一组介质和第二组介质是如何定义的？第一组介质：毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。第二组介质：除第一组以外的介质。5.根据危险程度，将压力容器划分为Ⅰ类压力容器、Ⅱ类压力容器和Ⅲ类压力容器，能够应用图1-2和图1-3，对给定的压力容器设计参数，确定属于哪类容器。第一组介质第二组介质6.美国的ASMEBPVC规范中的SectionⅧ是有关压力容器的，请查阅资料，简要说明SectionⅧ四个分卷（Division1-4）的内容。第1分卷《压力容器》简写为ASME-1，通常称为“按规则设计”的规范，属于常规设计法。它的指导思想是:以主要部位的最大主应力不超过弹性范围为设计的安全准则，根据经验确定材料的许用应力，并且对容器各部件的结构与尺寸作出一些具体的规定。第2分卷《压力容器•另一规则》，简写为ASME-2。通常称为“按分析设计”的规范，为分析设计法。其指导思想是：对压力容器中各部位的应力作尽可能详细的分析，对求得的应力值再进行分类，并且分别按照不同的安全准则予以处理。与ASME-1相比，ASME-2要求更为详尽的应力分析。第3分卷高压容器设计7.目前我国压力容器设计所依据的国标是，GB150-2011《压力容器》，请查阅资料，说明该标准的适用范围和主要内容。（不要罗列目录）GB150标准适用的范围是：1.2本标准适用的设计压力1.2.1钢制容器不大于35Mpa1.2.2其他金属材料制造、容器按照相应引用标准确定1.3本标准适用的设计温度范围1.3.1设计温度范围：-269℃~-900℃1.3.2钢制容器不得超过按GB150.2中列入材料的允许使用温度范围1.3.3其他金属材料制容器按本部分相应引用标准中列入的材料允许使用温度确定1.4本标准适用的结构形式1.4.1本标准适用钢制容器的结构形式按本部分一级GB150.2~150.4的相应规定1.4.2本标准适用范围内的特定结构容器以及铝、钛、铜、镍及镍合金、锆制容器，其结构形式和适用范围还应满足下述标准的相应要求：a.GB151《管壳式换热器》b.GB12337《钢制球形储罐》c.JB/T4731《卧式容器》d.JB/T4710《塔式容器》e.JB/T4734《铝制焊接容器》f.JB/T4745《钛制焊接容器》g.JB/T4755《铜制焊接容器》h.JB/T4756《镍及镍合金焊接容器》i.NB/T47011《锆制压力容器》8.目前我国压力容器制造检验所依据的规范是，TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，请查阅资料，说明该规范的主要内容和作用。（不要罗列目录）简称《固容规》，是固定式压力容器设计、制造过程中所遵守的总原则，由中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局颁布。其目的是保障固定式压力容器安全运行，保护人民生命和财产安全，促进国民经济快步发展。9.在压力容器设计中，如何定义薄壁容器？为什么要有薄壁容器的定义？压力容器按厚度可以分为薄壁容器和厚壁容器。所谓厚壁与薄壁并不是按容器厚度的大小来划分，而是一种相对概念，通常根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，K＞1.2为厚壁容器，K≤1.2为薄壁容器。工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。10.对于回转曲面上的某点，画图说明该点的几何参数R1、R2、K1、K2、r。11.在薄壁容器应力分析中，说明小位移假设含义及作用。壳体受力变形前后，壳体上各点位移量远小于壁厚尺寸，属于弹性小变形。(变形后尺寸可由变形前尺寸代替，推导中可忽略高阶无穷小，使微分方程式呈线性。）12.为什么将应用于薄壁容器应力分析的方法称为无力矩理论，或称为薄膜理论？回转薄壳中弯矩很小，可忽略壳壁中的弯矩影响，使壳体的应力分析大为简化。（微元体仅受拉压力和剪力）忽略弯矩的壳体理论称为无力矩理论，或者称为薄膜理论，由此所得到的解答称为薄膜解，薄膜解是设计薄壁容器的理论基础。13.对于承受内压的薄壁回转壳体，如何获得主应力状态下的微六面体？①一对壳体内外表面②一对经向截面（也称经线平面)③一对与经线相正交的圆锥面(也称纬向截面或纬线平面)14.解释说明，(1)不连续效应；(2)边缘应力；(3)边缘应力的特性；(4)工程设计中如何考虑不连续效应。(1)不连续效应:在不同壳体连接的附近地区，由于二者的自由变形不可能完全一致（称为变形不连续或者称为变形不协调），出现相互约束导致弯曲变形，从而在连接的边缘处产生较大的力矩和剪力。这种现象称为不连续效应或边缘效应(2)边缘应力:由边缘效应产生的应力称为不连续应力，或边缘应力。(3)边缘应力的特性:·局部性：随着离边缘距离x的增加，各内力呈指数函数迅速衰减以致消失，这种性质成为不连续应力的局部性·自限性：不连续盈利湿疣弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性(4)工程设计中如何考虑不连续效应：对于连接边缘的结构，只做局部处理。如局部加强、避免在连接边缘开孔、设置焊缝等。对于用塑性较好材料制成的容器，受静载荷时，除了进行连接边缘局部处理外，不再对边缘应力作进一步考虑。15.比较承受气压的薄壁圆筒、球形封头和锥形封头的薄膜应力分布，并解释应力分布出现“跳跃”的现象。薄壁圆筒：球形封头：锥形封头：16.厚壁圆筒是如何定义的？厚壁圆筒力学分析模型与薄壁圆筒力学分析模型有何不同？（1）定义：圆筒的外直径与内直径之比常大于1.2，属于厚壁圆筒（2）不同：17.对于承受内压的厚壁圆筒，描述圆筒上任意一点的主应力状态。包括：该点三个主应力的方向、主应力表达式、主应力沿壁厚方向的分布。当仅有内压pi时，po=0，有针对仅受内压的厚壁圆筒应力分布，分析如下：①σr为压应力，σz与位置无关，在外载荷和筒体几何尺寸确定后，为定值。显然，σϴ为第一主应力，σz为第二主应力，σr为第三主应力。②根据第一强度理论，有：σ1=σϴ≤[σ],最大的σ1在内壁面处(r=Ri)，因此内壁面为危险部位，屈服首先由内壁面开始。同理，如果根据第三强度理论，有：σ1-σ3=σϴ-σr≤[σ],最大的σ1-σ3仍然在内壁面处，因此内壁面为危险部位。这里，第一强度理论和第三强度理论得出相同的危险部位位置。③σr、σϴ和σz沿壁厚方向的分布是不均匀的，在内壁面处应力值较大，外壁面处应力值较小，表明筒体材料未得到充分利用。18.内部加热的厚壁圆筒，为什么在圆筒不受约束的情况下依然会有热应力产生？为降低厚壁圆筒热应力，可以采取哪些措施？厚壁筒通常承受内部加热，或者外部加热，在无保温层情况下，必然使得温度沿壁厚的分布不均。将厚壁圆筒看成由许多薄壁圆筒套在一起而成。由于温度分布不均匀，每个薄壁圆筒的热膨胀量不一样，而圆筒又须保持连续。这样必然要相互间产生应力。措施：可通过内外壁面的保温，使温度差降低，达到降低热应力的目的。避免外部对热变形的约束、设置膨胀节（或柔性元件）、采用良好的保温层等。19.什么是理想弹塑性材料？为什么可以将压力容器用钢看成是理想弹塑性材料？在研究材料的应力应变关系时，分两个阶段。第一阶段为弹性变形，第二阶段为塑性变形。在塑性变形时，要考虑变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也就是进入塑性状态后，应力不需要增加就可以产生塑性变形。材料屈服后不考虑其加工硬化对材料的影响的模型。对于理想弹塑性材料，忽略材料的硬化阶段，同时认为材料的屈服极限为常数。因为钢受力能变形，（弹性范围内）外力消失后能完全恢复原来形状的材料。不管变形多大，外力消失后能完全恢复原来形状。受力能变形，外力消失后不再恢复原来形状的材料。受力很少就能变形，外力消失后能保持所变成的形状，一点不回弹。20.根据（2-47）式，分别根据弹性失效设计准则和塑性失效设计准则，求得内压厚壁圆筒最大内压承载能力以及圆筒壁厚计算式，并加以比较。21.根据第一强度理论，说明通过增加厚壁来提高内压厚壁筒承载能力的局限性。此时，无论如何增大壁厚，都无法满足(2-54)式。这说明，当工作内压力增大到一定数值时，通过加大厚度，将无法满足弹性失效设计准则条件（弹性失效判据）。此外，在K4时，内壁面至外壁面间的应力分布极为不均匀，材料利用率很低，并且热应力较大。如果厚壁筒是用塑性较好的材料制成，就可以通过结构的塑性失效设计准则条件（塑性失效判据）进行设计。22.以内压厚壁圆筒弹塑性承受载荷为例，说明筒壁中残余应力产生过程，以及残余应力具有的特征。在厚壁筒承受内压出现塑性区后，将内压卸除。由于塑性区材料变形的不可恢复，最终使得塑性区筒体承受压缩应力作用，而弹性区筒体承受拉伸应力的作用。在没有外载的情形下，在整个筒壁内分布着残余应力。显然，这个残余应力分布是一个自平衡应力。23.简述自增强法和多层热套法原理，并用应力分布图加以说明。24.针对压力容器结构中的轴对称载荷下圆形薄板弹性小饶度问题，(1)简述：什么是轴对称载荷，圆形薄板，弹性小饶度；(2)对于上述轴对称载荷圆薄板，主要承受什么类型的内力载荷？（1）轴对称载荷：圆形薄板：1/100＜t/b＜1/5的圆形平板弹性小挠度：挠度1/5＜w/t＜5的弹性平板（2）σθ，σr25.如何定义圆平板的抗弯刚度？它有什么含义？在圆平板受力分析中，如何运用(2-60)式？（1）（2）抗弯刚度D’表明圆板抵抗弯曲变形的能力，与圆板材料的弹性模量和板厚成正比。（3）(2-60)是关于变量w的微分方程，称为：轴对称横向载荷圆形薄板小挠度弯曲微分方程。通过不同的边界条件，可求得某一问题特解。其中，剪力Qr可依据具体问题的静力平衡条件求得。26.对于轴对称载荷下的周边固支圆平板，(1)写出求解(2-60)式过程中所用到的边界条件；(2)绘制w=w(r)、φ=φ(r)、Mr=Mr(r)、Mϴ=Mϴ(r)，以及上、下表面的σr=σr(r)、σϴ=σϴ(r)分布图。（1）r=Rφ=0r=Rw=0（2）27.对于轴对称载荷下的周边简支圆平板，(1)写出求解(2-60)式过程中所用到的边界条件；(2)绘制w=w(r)、φ=φ(r)、Mr=Mr(r)、Mϴ=Mϴ(r)，以及上、下板表面的σr=σr(r)、σϴ=σϴ(r)分布图。（1）r=Rw=0r=RMr=0（2）28.分析：(1)周边支撑条件对轴对称载荷下圆平板刚度和强度的影响；(2)在承受同等载荷条件下，为什么圆平板厚度尺寸远远大于圆筒壁厚尺寸。（1）对挠度的影响两种支承条件下，板内最大挠度的比值为对应力的影响两种支承条件下，板内最大拉应力的比值为式中，简支板内的最大拉应力为板中心处下表面的径向应力；固支板内的最大拉应力为板边缘处上表面的径向应力。通过上述比较，表明固支板在刚度和强度两方面均优于简支板。工程设计中，通常采用接近于固支的支承方式，或增加板的厚度等方法来提高圆平板的强度和刚度。29.从以下三方面简