化工設(shè)備及技術(shù)概述

1、AAxzyrRROK1K2平行圓經(jīng)線OOjB12學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容載荷分析載荷分析回轉(zhuǎn)薄殼應(yīng)力分析回轉(zhuǎn)薄殼應(yīng)力分析邊緣應(yīng)力分析邊緣應(yīng)力分析學(xué)習(xí)重點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)薄膜理論及其應(yīng)用薄膜理論及其應(yīng)用 對容器的基本感性認(rèn)識(shí)對容器的基本感性認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)難點(diǎn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)l書名：化工設(shè)備及技書名：化工設(shè)備及技術(shù)術(shù) 第第2版版l書號：書號：978-7-111-57048-6l 王磊王磊l出版社：機(jī)械工業(yè)出出版社：機(jī)械工業(yè)出版社版社流體流經(jīng)泵或壓縮機(jī)流體流經(jīng)泵或壓縮機(jī)液體膨脹或氣化液體膨脹或氣化液體的飽和蒸氣壓液體的飽和蒸氣壓液體靜壓力液體靜壓力（1）壓力載荷（2）非壓力載荷重力載荷重力載荷地震載荷地震載荷運(yùn)輸載荷運(yùn)輸載荷波動(dòng)

2、載荷波動(dòng)載荷風(fēng)載荷風(fēng)載荷管系載荷管系載荷（3）交變載荷正常操作工況正常操作工況特殊載荷工況特殊載荷工況意外載荷工況意外載荷工況壓力試驗(yàn)壓力試驗(yàn)載荷工況載荷工況開停工及檢修開停工及檢修2 . 1 1 . 00iiDDKD或薄壁容器薄壁容器容器的厚度與其最大截面圓的容器的厚度與其最大截面圓的內(nèi)徑之內(nèi)徑之比小于比小于0.10.1的容器稱為薄壁容器。的容器稱為薄壁容器。（超出這一范圍的稱為厚壁容器）（超出這一范圍的稱為厚壁容器）典型回轉(zhuǎn)薄殼的應(yīng)力分析典型回轉(zhuǎn)薄殼的應(yīng)力分析薄膜應(yīng)力理論薄膜應(yīng)力理論應(yīng)力分析是強(qiáng)度設(shè)計(jì)中首先要解決的問題應(yīng)力分析是強(qiáng)度設(shè)計(jì)中首先要解決的問題一、回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論一、回轉(zhuǎn)薄殼

3、的無力矩理論軸對稱問題軸對稱問題幾何形狀幾何形狀所受外力所受外力約束條件約束條件均對稱于回轉(zhuǎn)軸均對稱于回轉(zhuǎn)軸化工用壓力容器通常化工用壓力容器通常都屬于軸對稱問題都屬于軸對稱問題本章研究的是滿足軸對稱條件的薄壁殼體本章研究的是滿足軸對稱條件的薄壁殼體1 1、回轉(zhuǎn)薄殼的形成及幾何特性、回轉(zhuǎn)薄殼的形成及幾何特性S-3fla.swfS-4fla.swf圓柱殼回轉(zhuǎn)殼球殼圓錐殼（1）回轉(zhuǎn)曲面、回轉(zhuǎn)殼體、中間面、殼體厚度）回轉(zhuǎn)曲面、回轉(zhuǎn)殼體、中間面、殼體厚度（2）母線、經(jīng)線、法線、緯線、平行圓）母線、經(jīng)線、法線、緯線、平行圓（3）第一曲率半徑第一曲率半徑R1、第一曲率半徑、第一曲率半徑R2、平行圓半徑平行圓

4、半徑r（4）經(jīng)向坐標(biāo)、周向坐標(biāo)）經(jīng)向坐標(biāo)、周向坐標(biāo)1 1、回轉(zhuǎn)薄殼的形成及幾何特性、回轉(zhuǎn)薄殼的形成及幾何特性回轉(zhuǎn)殼體回轉(zhuǎn)殼體由回轉(zhuǎn)曲面作中間面形成的殼體。由回轉(zhuǎn)曲面作中間面形成的殼體?；剞D(zhuǎn)曲面回轉(zhuǎn)曲面由平面直線或平面曲線繞其同平面內(nèi)由平面直線或平面曲線繞其同平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)一周所形成的曲面。的回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)一周所形成的曲面。中中間面間面平分殼體厚度的曲面稱為殼體的中間平分殼體厚度的曲面稱為殼體的中間面。中間面與殼體內(nèi)外表面等距離，面。中間面與殼體內(nèi)外表面等距離，它代表了殼體的幾何特性。它代表了殼體的幾何特性。 回轉(zhuǎn)殼體中的基本的幾何概念回轉(zhuǎn)殼體中的基本的幾何概念母線母線形成回轉(zhuǎn)殼體中間面的形成回

5、轉(zhuǎn)殼體中間面的那條直線或平面曲線。那條直線或平面曲線。如圖所示的回轉(zhuǎn)殼體即如圖所示的回轉(zhuǎn)殼體即由平面曲線由平面曲線ABAB繞繞OAOA軸旋軸旋轉(zhuǎn)一周形成，平面曲線轉(zhuǎn)一周形成，平面曲線ABAB為該回轉(zhuǎn)體的母線。為該回轉(zhuǎn)體的母線。注意：母線形狀不同注意：母線形狀不同或與回轉(zhuǎn)軸的相對位或與回轉(zhuǎn)軸的相對位置不同時(shí)，所形成的置不同時(shí)，所形成的回轉(zhuǎn)殼體形狀不同?；剞D(zhuǎn)殼體形狀不同。圖圖2-3 回轉(zhuǎn)殼體的幾何特性回轉(zhuǎn)殼體的幾何特性經(jīng)線經(jīng)線通過回轉(zhuǎn)軸的平面與中間通過回轉(zhuǎn)軸的平面與中間面的交線，如面的交線，如ABAB、ABAB。經(jīng)線與母線形狀完全相同經(jīng)線與母線形狀完全相同法線法線過中間面上的點(diǎn)過中間面上的點(diǎn)M M

6、且垂直且垂直于中間面的直線于中間面的直線n n稱為中稱為中間面在該點(diǎn)的法線。間面在該點(diǎn)的法線。（法線的延長線必與回轉(zhuǎn)（法線的延長線必與回轉(zhuǎn)軸相交）軸相交）緯線緯線以法線以法線NK為母線繞回轉(zhuǎn)為母線繞回轉(zhuǎn)軸軸OA回轉(zhuǎn)一周所形成的回轉(zhuǎn)一周所形成的園錐法截面與中間面的園錐法截面與中間面的交線交線CND圓圓K平行圓：垂直于回轉(zhuǎn)軸平行圓：垂直于回轉(zhuǎn)軸的平面與中間面的交線的平面與中間面的交線稱平行圓。顯然，平行稱平行圓。顯然，平行圓即緯線。圓即緯線。第一曲率半徑第一曲率半徑R1第二曲率半徑第二曲率半徑R2中間面上任一點(diǎn)中間面上任一點(diǎn)M M 處經(jīng)線的曲率處經(jīng)線的曲率半徑為該點(diǎn)的半徑為該點(diǎn)的“第一曲率半徑第一

7、曲率半徑” 23211yyR 11MKR 通過經(jīng)線上一點(diǎn)通過經(jīng)線上一點(diǎn)M 的法線作垂直于經(jīng)線的平面與中的法線作垂直于經(jīng)線的平面與中間面相割形成的曲線間面相割形成的曲線MEF，此曲線在，此曲線在M 點(diǎn)處的曲率點(diǎn)處的曲率半徑稱為該點(diǎn)的第二曲率半徑半徑稱為該點(diǎn)的第二曲率半徑R2 ，第二曲率半徑的，第二曲率半徑的中心落在回轉(zhuǎn)軸上，其長度等于法線段中心落在回轉(zhuǎn)軸上，其長度等于法線段MK2 。22MKR 回轉(zhuǎn)薄殼幾何要素回轉(zhuǎn)薄殼幾何要素二、薄壁圓筒的應(yīng)力特點(diǎn)二、薄壁圓筒的應(yīng)力特點(diǎn)：“環(huán)向纖維環(huán)向纖維”和和“縱向縱向纖維纖維”受到拉伸。受到拉伸。：只有拉應(yīng)力忽略彎曲應(yīng)：只有拉應(yīng)力忽略彎曲應(yīng)力，處于二向應(yīng)力狀

8、態(tài)。力，處于二向應(yīng)力狀態(tài)。因壁厚因壁厚 很小，認(rèn)為很小，認(rèn)為 拉應(yīng)力拉應(yīng)力 沿壁厚均勻分布的，稱為薄沿壁厚均勻分布的，稱為薄膜應(yīng)力。膜應(yīng)力。s s（或（或s s軸、軸、 s s經(jīng)經(jīng)）沿圓筒母線）沿圓筒母線方向方向( (即軸向即軸向) )拉應(yīng)力，拉應(yīng)力，s s（或（或s s環(huán)、環(huán)、 s s周周）沿圓周方向）沿圓周方向的拉應(yīng)力。的拉應(yīng)力。圖圖3-2 薄壁圓筒在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力薄壁圓筒在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力 B點(diǎn)受力分析：點(diǎn)受力分析：內(nèi)壓內(nèi)壓P作用于作用于B點(diǎn)，產(chǎn)生三向應(yīng)力：點(diǎn)，產(chǎn)生三向應(yīng)力：軸向：經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力軸向：經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力；圓周的切線方向：周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力圓周的切線方向：周向應(yīng)力或環(huán)

9、向應(yīng)力；壁厚方向：徑向應(yīng)力壁厚方向：徑向應(yīng)力r；當(dāng)當(dāng) 、 r時(shí)，作二向應(yīng)力狀態(tài)分析。時(shí)，作二向應(yīng)力狀態(tài)分析。因而薄殼圓筒因而薄殼圓筒B點(diǎn)受力簡化成二向應(yīng)力點(diǎn)受力簡化成二向應(yīng)力和和。 圓筒的應(yīng)力計(jì)算圓筒的應(yīng)力計(jì)算 1. 1. 軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力D D- -筒體平均直徑，亦筒體平均直徑，亦稱中徑，稱中徑，mmmm；2044pDDpDjjs s截面法截面法分析，如右圖分析，如右圖 ： 2. 2. 環(huán)向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力ss20222pDlpDl圖3-4 環(huán)向應(yīng)力計(jì)算 討論討論1：薄壁圓筒上開橢圓孔的有利形狀：薄壁圓筒上開橢圓孔的有利形狀 環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的的2 2倍，所以環(huán)向承受應(yīng)倍，所

10、以環(huán)向承受應(yīng)力更大，縱向截面上就要力更大，縱向截面上就要少削弱面積，故開設(shè)橢圓少削弱面積，故開設(shè)橢圓孔時(shí)，橢圓孔之短軸平行孔時(shí)，橢圓孔之短軸平行于筒體軸線，見圖于筒體軸線，見圖圖圖2-6 薄壁圓筒上開橢圓孔薄壁圓筒上開橢圓孔討論討論2：介質(zhì)與壓力一定，壁厚越大，是否應(yīng)力就越?。航橘|(zhì)與壓力一定，壁厚越大，是否應(yīng)力就越小分析：分析：問題：鋼板卷制圓筒問題：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？焊縫哪個(gè)易裂？ss2/24/pDpD筒體縱向焊縫受力大于筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時(shí)應(yīng)予以注意。裂，施焊時(shí)應(yīng)予以注意。基本假設(shè)基本假設(shè)l（1）

11、小位移假設(shè)小位移假設(shè)。殼體受壓變形，殼體受壓變形，各點(diǎn)位移都小于壁厚。簡化計(jì)算。各點(diǎn)位移都小于壁厚。簡化計(jì)算。l（2）直法線假設(shè)直法線假設(shè)。沿厚度各點(diǎn)法向沿厚度各點(diǎn)法向位移均相同，即厚度不變。位移均相同，即厚度不變。l（3）不擠壓假設(shè)不擠壓假設(shè)。沿壁厚各層纖維沿壁厚各層纖維互不擠壓，即法向應(yīng)力為零?；ゲ粩D壓，即法向應(yīng)力為零。假定材料具有連續(xù)性、均勻性和假定材料具有連續(xù)性、均勻性和各向同性，即殼體是完全彈性的各向同性，即殼體是完全彈性的內(nèi)力內(nèi)力無力矩理論無力矩理論（薄膜理論）（薄膜理論）有力矩理論有力矩理論（彎曲理論）（彎曲理論）無力矩理論和有力矩理論無力矩理論和有力矩理論載荷載荷軸對稱軸對稱計(jì)

12、算殼壁應(yīng)力有如下理論：計(jì)算殼壁應(yīng)力有如下理論：（1 1）無矩理論，即）無矩理論，即薄膜理論薄膜理論。 假定殼壁如同薄膜一樣，只承假定殼壁如同薄膜一樣，只承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，完全不能承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，完全不能承受彎矩和彎曲應(yīng)力。殼壁內(nèi)的應(yīng)受彎矩和彎曲應(yīng)力。殼壁內(nèi)的應(yīng)力即為力即為薄膜應(yīng)力薄膜應(yīng)力。（2 2）有力矩理論有力矩理論。殼壁內(nèi)存在除拉應(yīng)力或。殼壁內(nèi)存在除拉應(yīng)力或壓應(yīng)力外，壓應(yīng)力外，還存在彎曲應(yīng)力還存在彎曲應(yīng)力。 在工程實(shí)際中，理想的薄壁殼體是不在工程實(shí)際中，理想的薄壁殼體是不存在的，因?yàn)榧词箽け诤鼙。瑲んw中還存在的，因?yàn)榧词箽け诤鼙。瑲んw中還會(huì)或多或少地存在一些彎曲應(yīng)力，所以會(huì)或多或少地

13、存在一些彎曲應(yīng)力，所以無力矩理論有其近似性和局限性無力矩理論有其近似性和局限性。由于。由于彎曲應(yīng)力一般很小，如略去不計(jì)，其誤彎曲應(yīng)力一般很小，如略去不計(jì)，其誤差仍在工程計(jì)算的允許范圍內(nèi)，而計(jì)算差仍在工程計(jì)算的允許范圍內(nèi)，而計(jì)算方法大大簡化，所以方法大大簡化，所以工程計(jì)算中常采用工程計(jì)算中常采用無力矩理論無力矩理論。無力矩狀態(tài)只是殼體可能的應(yīng)力狀態(tài)之一無力矩狀態(tài)只是殼體可能的應(yīng)力狀態(tài)之一無力矩狀態(tài)下，薄殼中的應(yīng)力沿壁厚無力矩狀態(tài)下，薄殼中的應(yīng)力沿壁厚均勻分布，可使材料強(qiáng)度得到合理利用，均勻分布，可使材料強(qiáng)度得到合理利用，是最理想的應(yīng)力狀態(tài)。是最理想的應(yīng)力狀態(tài)。無力矩理論可使殼體的應(yīng)力分析大為簡化

14、，無力矩理論可使殼體的應(yīng)力分析大為簡化，薄殼的應(yīng)力分析以無力矩理論為基礎(chǔ)。薄殼的應(yīng)力分析以無力矩理論為基礎(chǔ)。幾點(diǎn)提示幾點(diǎn)提示p微體平衡方程的推導(dǎo)微體平衡方程的推導(dǎo)OOjjsjddRtsin2jjsjddRtsin2經(jīng)向力經(jīng)向力 和和 + d + d 在法線上的分量在法線上的分量 jNjNjNjjssin1ddRt周向力周向力 在法線上的分量在法線上的分量 NtpRR21jss微體平衡方程（拉普拉斯微體平衡方程（拉普拉斯Laplace方程）方程）區(qū)域平衡方程的推導(dǎo)區(qū)域平衡方程的推導(dǎo)區(qū)域平衡方程區(qū)域平衡方程 VV 02mrVprdrjsjsin2trVm微體平衡方程（拉普拉斯微體平衡方程（拉普拉斯Laplace方程）方程）12pRRtjss區(qū)域平衡方程式區(qū)域平衡方程式 022sinmrmVVprdrrtjsj 1、無力矩理論兩個(gè)基本方程、無力矩理論兩個(gè)基本方程承受氣體內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)薄殼承受氣體內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)薄殼 pconst22mrmoVprdrp r2 cosmprtj2sinmVrtjsj圓柱殼圓柱殼2pRtjspRts第一曲率半徑第一曲率半徑R R1 1=，第二