安全氣囊壓力發(fā)生器結構設計

1、目錄第一章 緒論11.1 問題的提出及研究的目的和意義11.2 汽車安全氣囊及其性能測試國內外發(fā)展狀況11.3 汽車安全氣囊系統(tǒng)結構原理21.4 測試裝置及原理41.5 本論文所要進行的工作5第二章 安全氣囊氣體發(fā)生器壓力容器結構設計52.1 壓力容器的分類462.2 壓力容器的結構72.3 壓力容器設計準則82.4 壓力容器殼體形狀選擇17第三章 壓力容器基本參數設計173.1 壓力容器殼體材料的選擇173.2 筒體設計參數的確定203.3 壓力容器封頭設計233.4 封頭與圓筒的連接設計293.5 壓力容器底部設計303.6 密封圈的選擇31第四章 壓力容器與測試裝置接口設計31第五章 開

2、孔補強設計315.1 開孔的形狀325.2 開孔后的補強325.3 等截面積補強法33總結36參考文獻37致謝39第一章 緒論1.1 問題的提出及研究的目的和意義隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高，汽車的行駛速度越來越快，特別是由于汽車擁有量的迅速增加，交通越來越擁擠，使得事故更為頻繁，所以汽車的安全性顯得特別重要。安全氣囊作為一種安全配置，以其較高的安全性已經逐漸在各類轎車上普及,并迅速發(fā)展成為一個全新的高科技產業(yè)。因此,安全氣囊的研究與發(fā)展對中國的汽車工業(yè)的現代化具有十分重要的意義，尤其是中國加入 WTO 之后，這種意義將更加深刻。目前，我國安全氣囊的研究與發(fā)展已初具基礎和規(guī)模，但是離世界

3、先進水平還相差甚遠，這些差距主要包括安全氣囊法規(guī)、撞車實驗系統(tǒng)、安全氣囊的設計、制造和測試等方面。在測試方面、傳感器、氣體發(fā)生器和氣囊技術規(guī)范及檢測還未達到一個令人滿意的狀態(tài)。據資料表明，國內還沒有一套完整的安全氣囊性能測試系統(tǒng)，我國生產的安全氣囊一般要到國外進行測試。這樣提高的費用，削弱了我國的安全氣囊在市場上的競爭力。隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，國內一些大公司準備建立大規(guī)模安全氣囊生產線。所以，設計一套安全氣囊性能測試系統(tǒng)，對我國汽車工業(yè)具有重要意義1。1.2 汽車安全氣囊及其性能測試國內外發(fā)展狀況汽車安全氣囊的初步想法產生于美國。1952 年 ,美國汽車生產者聯合會在理論上闡述了這樣一種

4、汽車安全系統(tǒng)的必要性,1953 年8 月18日,J.W.HETRICK取得了第一個美國安全氣囊的專利權,但是,當時由于技術水平的限制,還不能把這種想法或專利付諸實現, 直至 1984 年，汽車碰撞安全標準（FMVSS208）在美國經多次被廢除后又重新被認可并開始實施，其中規(guī)定從 1995 年 9 月 1 日以后制造的轎車前排座前均應裝備安全氣囊，同時還要求 1998 年以后的轎車都裝備駕駛者和乘客用的安全氣囊，自此才確認了安全氣囊的作用。 目前，世界上很多國家都有要求在新車上必須安裝氣囊。例如在美國，相應的法規(guī)已從1989年起實施該法規(guī)要求一定要安裝大尺寸的氣囊。而歐洲的專家們則認為最好的方案

5、應該是：安全帶和小尺寸氣囊的配合使用。所以，歐洲的公司只生產小尺寸氣囊?，F在，在汽車上，一個氣囊安裝在駕駛盤上，一個安裝在駕駛員旁前排乘員的前面。側面氣囊或者裝在車門上，或者裝在座椅靠背上，氣囊用尼龍制成，材料厚度為0.45mm。為了保證氣囊的氣密性，在其內表面涂復薄薄一層合成橡膠或硅橡膠。在氣囊的內表面固定有專門的帶子，這些帶子在氣囊充氣時能使其保持一定形狀。氣囊側面設有許多孔，這些孔用來快速從氣囊中排出氣體。這點十分重要的，否則，人就會被氣囊推向后面或被一個氣囊或幾個氣囊擠住而受傷。為避免氣囊因長期疊置而成硬塊，在氣囊內部覆蓋一層特殊的材料，它可使氣囊的有效使用期達到15年。在 20 世紀

6、 80 年代末，我國一批從事汽車碰撞安全和軍工研究的專家與學者開始關注汽車安全氣囊的研究與發(fā)展 。1992年9月，我國自行設計與研制的FS-01型安全氣囊，通過了撞車實驗與設計定型。在“九五” 規(guī)劃和“十五”規(guī)劃中，國家經貿委和汽車行業(yè)將安全氣囊列為我國汽車零配件三個重大發(fā)明之一（電子噴油系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)）。在十多年的研究與發(fā)展過程中，國內許多大學與公司的安全氣囊的研究與產品已初具基礎，其中部分研究與技術已接近國際水平2。例如清華大學的黃世霖等人在汽車碰撞實驗中，系統(tǒng)的研究了多種國產汽車中安全氣囊的匹配技術，對汽車安全氣囊的點火控制模擬、汽車碰撞的過程模擬和實驗驗證以及有關軟

7、件在汽車安全氣囊系統(tǒng)設計中的應用方面作了大量工作。還有南京理工大學在傳感器、氣體發(fā)生器和氣囊設計方面具有雄厚的基礎，他們的機電一體式傳感器、疊氮化鈉氣體發(fā)生器、分步式氣囊的研究與產品曾受國外著名公司邀請在德國做過數次評估，得到極大關注。但是，國內對安全氣囊性能測試系統(tǒng)方面的研究比較少3，尚沒有一套完整的測試系統(tǒng)。目前國內僅航天系統(tǒng)某所對汽車安全氣囊性能能夠進行簡單測試，且采用彈簧式，受到多種條件限制，穩(wěn)定性不是很好。 自由落體式測試裝置系統(tǒng)在國內尚屬空白 。我國生產的安全氣囊性能大部分要到國外測試，例如，錦恒汽車安全系統(tǒng)公司生產的SR40 安全氣囊在國內無法測試需要到國外進行匹配裝置實驗。隨著

8、我國汽車工業(yè)的發(fā)展，安全氣囊及測試系統(tǒng)研究方面有所創(chuàng)新并擁有自己的關鍵技術的知識產權才是安全氣囊發(fā)展的立足之本。國外對汽車安全氣囊性能測試裝置設計主要為彈簧式、自由落體式等。1.3 汽車安全氣囊系統(tǒng)結構原理現代安全氣囊系統(tǒng)由碰撞傳感器、緩沖氣囊、氣體發(fā)生器及控制塊（電腦）等組成。1.傳感器：碰撞傳感器、電子式傳感器、機電式傳感器。碰撞傳感器。安全氣囊系統(tǒng)中的重要部件，其功能是檢測、判斷汽車發(fā)生碰撞后的撞擊信號，以便決定是否展開緩沖氣囊。碰撞傳感器主要有三種類機械式傳感器在早期的安全氣囊中使用較多，主要應用慣性原理，利用傳感器中元件的慣性力克服彈簧力來觸發(fā)氣體發(fā)生器。機械式在加速度較低時保證不啟

9、動氣囊，可靠性較高；但只能單點傳感，對機械部件的品質、精度和耐磨性要求極高。 電子式傳感器是一種應用最早的碰撞傳感器，根據電子原理，利用電信號來反映車身減速度，而后根據電信號來判別是否展開緩沖氣囊。  機電式傳感器采用機電結合的方式，將機械信號轉化為電子信號，再利用電子信號點爆安全氣囊。即具有機械式的優(yōu)點，又能克服機械式傳感器本身存在的缺陷，安裝在車身上任何位置，以便得到較好的減速信號，而且能夠在同一位置安裝多個傳感器。  2.緩沖氣囊。氣囊一般由防裂性能好的聚酞胺織物制成，它是一種半硬的泡沫塑料，能承受較大的壓力；經過硫化處理，可減少氣囊沖氣膨脹時的慣性力；為使

10、氣體密封，氣囊里面涂有涂層材料。氣囊的大小、形狀、漏氣性能是確定安全氣囊保護效果的重要因素，必須根據不同汽車的實際情況來確定。3.氣體發(fā)生器。安全氣囊系統(tǒng)要求氣體發(fā)生器能夠在較短的時間內（30 ms左右）產生大量的氣體充滿氣囊，產生的氣體必須對人體無害，且不能溫度太高，同時要求氣體發(fā)生器有很高的可靠性和穩(wěn)定性。氣體發(fā)生器主要有：壓縮氣體式、煙火式和混合式三種型式?；旌鲜綒怏w發(fā)生器是壓縮氣體式和煙火式相結合的發(fā)生器，也是目前廣泛應用一種氣體發(fā)生器。  4.控制裝置。一般集成在微計算機中。當汽車發(fā)生碰撞事故時，電控裝置接收多個傳感器傳來的車身不同位置的減速信號，經過反復不斷的分析、比較、

11、計算，決定是否發(fā)出點火信號。要求控制裝置能夠在復雜的碰撞情況下作出非常準確的判斷，點火時刻也必須精確控制。   雖然安全氣囊在結構上會有所不同，但其工作原理基本一致。汽車行駛過程中，傳感器系統(tǒng)不斷向控制裝置發(fā)送速度變化（或加速度）信息，由控制裝置（中央控制器）對這些信息加以分析判斷，如果所測的加速度、速度變化量或其它指標超過預定值（即真正發(fā)生了碰撞），則控制裝置向氣體發(fā)體發(fā)生器發(fā)出點火命令或傳感器直接控制點火，點火后發(fā)生爆炸反應，產生N2或將儲氣罐中壓縮氫氣釋放出來充滿碰撞氣袋。乘員與氣袋接觸時，通過氣袋上排氣孔的阻尼吸收碰撞能量，達到保護乘員的目的。  安全氣囊

12、根據安裝的位置及保護對象不同，主要分為：對駕駛員進行保護的氣囊，裝在方向盤內，防止駕駛員與轉向盤、儀表板及前擋風玻璃發(fā)生碰撞；對前排乘員進行保護的氣囊，裝在儀表板內，防止乘員與儀表板、前擋風玻璃發(fā)生碰撞；對后排乘員進行保護的氣囊，一般安裝在前排座椅的靠背上后部或頭枕內部，防止乘員與前排座椅發(fā)生碰撞。由于后排乘員受到的傷害程度較輕，后座椅安全氣囊一般只在高級轎車上使用。安全氣囊對人體保護工作原理如圖1。圖1 安全氣囊工作基本原理1.4 測試裝置及原理氣體發(fā)生器的產氣性能好壞是通過進行密閉充氣筒內的壓力測試來檢測的, 通過對壓力的檢測可以對氣體發(fā)生劑的燃燒速度和氣體生成量進行判定。對壓力的測試實驗

13、是在常溫和低溫情形下進行, 以便保證氣體發(fā)生器在嚴冬和盛夏均可以產生適量的氣體而正常工作。實驗系統(tǒng)中使用的氣體發(fā)生器為機械式氣體發(fā)生器, 其設計和制造是一個比較復雜的過程。它主要由外殼、雷管( 或火帽)、增壓劑( 或導爆藥柱) 、氣體發(fā)生劑以及過濾器等部分組成19 。氣體發(fā)生器中的氣體發(fā)生劑是一種火藥, 其單位時間產氣量是由氣體發(fā)生劑的線性燃速和燃燒面積決定的, 氣體發(fā)生器單位時間的氣體流出量是由噴嘴面積的大小和燃燒室中的壓力決定的2021。該套模擬整車撞擊的系統(tǒng)主要由臺架系統(tǒng)、密閉充氣筒及其電磁控制機構、傳感器、數據采集與處理系統(tǒng)組成。臺架系統(tǒng)由底座、導軌、充氣筒提升架3 個部分組成, 充氣

14、筒的提升、釋放及高度控制通過有關的電磁控制機構來實現。利用充氣筒從一定高度沿導軌下落后與臺架底座上的彈性緩沖墊發(fā)生碰撞來實現汽車碰撞過程的模擬, 而充氣筒從一定高度下落時產生的具有一定強度90 ± 10 g 和持續(xù)時間為10 ± 5ms 的沖擊信號時將觸發(fā)引爆裝在充氣筒內的氣體發(fā)生器, 利用安裝在充氣筒內的壓力傳感器就可以對氣體發(fā)生器產氣后的整個壓力變化過程進行實驗研究。裝置組成如圖 2所示。1底座 2導軌 3充氣筒提升架 4電磁機構 5壓力傳感器 6充氣筒7藥盒內傳感器 8產氣藥盒 9加速度傳感器 10碰撞觸頭 11彈性緩沖墊圖 2 實驗裝置示意圖測試原理簡述如下:電磁控

15、制機構將充氣筒提升至一定的高度并釋放,充氣筒沿導軌落下,其上的觸頭10與彈性緩沖墊11發(fā)生碰撞,碰撞產生的沖擊力的大小由加速度傳感器進行記錄,當碰撞加速度滿足一定的峰值90± 10 g及持續(xù)時間10±5ms的閾值要求時,該碰撞過程就會引爆裝在筒內的氣體發(fā)生器,氣體發(fā)生器將被點火信號引燃并迅速產氣。氣體發(fā)生器引爆后瞬間在密閉筒內產生大量高溫高壓氣體,通過安裝在筒內的壓力傳感器5對充氣筒內壓力變化過程進行記錄,通過安裝在藥盒內的壓力傳感器7對藥盒內壓力變化過程進行記錄,記錄下的信號通過信號適配器轉換并經過數據處理后,充氣筒內以及藥盒內壓強隨時間變化的p - t曲線將被記錄下來,

16、通過p - t曲線可以得到從撞擊開始到壓強達到最大值的時間、壓強上升速率等有關參數值,從而對氣體發(fā)生器的產氣性能及質量進行研究。數據處理方面,本系統(tǒng)具備各參數同時顯示、及時分析、隨時打印、自動存盤等優(yōu)點22。1.5 本論文所要進行的工作安全氣囊壓力發(fā)生器結構設計，筒體設計基本參數設計、端蓋基本參數設計、壓力容器與測試裝置接口設計等。第二章 安全氣囊氣體發(fā)生器壓力容器結構設計2.1 壓力容器的分類4（1） 按容器的作用原理分換熱容器、反應容器、分離容器、貯運容器。（2） 按容器承受的介質壓力來分a.常壓容器對于圓筒形容器，-0.02MPap<0.1MPa。b.受壓容器 外壓容器 容器外部壓

17、力大于內部壓力。 內壓容器 低壓容器（代號L）：0.1MPap<1.61MPa；中壓容器（代號M）：1.61MPap<101MPa；高壓容器（代號H）：101MPap<1001MPa；超高壓容器（代號U）：p1001MPa。（3） 按容器壁厚分根據容器外徑Do和內徑Di的比值K（K=Do/Di）將容器分為薄壁容器（K1.2）和厚壁容器（K>1.2）。（4） 壓力容器的綜合分類國家勞動部門為了便于安全技術管理和監(jiān)督檢查，根據容器承受壓力的高低，壓力與容積乘積大小、介質的危害程度，及容器在生產過程中的作用的綜合分類方法。壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程將容器分為三類：一類容器：低壓

18、容器（二、三類容器中的低壓容器除外）。二類容器：屬下列情況之一者為二類容器。 中壓容器（三類容器中的中壓容器除外）； 毒性程度為極度和高度危害介質的低壓容器； 易燃或毒性程度為中度危害介質的低壓反應容器和貯存容器； 搪玻璃壓力容器； 低壓管殼式余熱鍋爐。三類容器：屬下列情況之一者為三類容器。 高壓容器； 毒性程度為極度和高度危害介質的中壓容器和pV0.2MPa·m3的低壓容器； 易燃或毒性程度為中度危害介質且pV0.5MPa·m3的中壓反應容器和pV10MPa·m3的中壓儲存容器； 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐。2.2 壓力容器的結構壓力容器的結構形式是多種多樣的，它

19、是根據容器的作用、工藝要求、加工設備和制造方法等因素確定的。如下圖所示分別是常見的圓筒形容器和球形容器。圖3 圓筒形容器1-主螺栓 2-主螺母 3-端蓋 4-筒體端部 5-內筒 6-層板層 7-環(huán)焊縫8-縱焊縫9-管法蘭 10-接管 11-球形封頭 12-管道螺栓 13-管道螺母 14-平封頭圖4 球形容器1-支柱 2-中部平臺 3-頂部操作平臺 4-北極板5-北溫帶6-赤道帶 7-南溫帶 8-南極板 9-拉桿從圓筒形容器圖可知，容器的結構是由壓力容器的殼體、密封元件和支座等主要部件組成的。此外，作為一種生產工藝設備，有些壓力容器，如用于化學反應、傳熱、分離等工藝過程的壓力容器，其殼體內部還裝

20、有工藝所要求的內件。對此，本畢業(yè)設計不作專門介紹，而只介紹壓力容器的其他部件。2.3 壓力容器設計準則（1） 應力分類ASME2規(guī)范要求進行精確的彈性應力分析，把應力分析報告作為設計的基本依據，所以，把這種設計方法稱為“分析設計”，而把傳統(tǒng)規(guī)范進行的設計稱為“規(guī)則設計”或“常規(guī)設計”。分析設計認為：有彈性計算求得的各類應力對結構破壞所起的作用是不同的，因而，他們的重要性即導致結構破壞的危險性也不同。通過應力強度評價，給出設計依據，必要時，還要進行疲勞分析。按性質不同，應力分為兩大類：一次應力、二次應力；按影響范圍的大小分為三類：總體應力、局部應力、峰值應力；按分布規(guī)律不同，應力又可分為：沿斷面

21、均勻分布的均布應力，如薄膜應力，沿斷面線性分布的線性應力，如彎曲應力，沿斷面非線性分布的應力。以上各種應力分類是相互交叉的。一次應力可以有總體應力、局部應力和集中應力三種。進一步又可分為一次總體薄膜應力，一次總體彎曲應力二次應力也一樣，但如果對選擇恰當的許用應力沒有影響，就不必再細分了。對于設計人員，比較常用的應力分類基本概念有一次應力、二次應力和峰值應力。一次應力（primary stress）P。由于外載荷作用而在容器部件內產生的正應力或剪應力5。或者平衡外部機械載荷所必須的應力。其特點有兩個：一是滿足靜力平衡條件，即載荷增加，應力相應增加，應變也增加；二是非自限性，應力沿壁厚方向均勻分布

22、。一次應力又可分為以下三類：一次總體薄膜應力（general primary membrane stress）Pm。影響范圍遍及整個結構的薄膜應力6，如，各種應力中平衡壓力或分布載荷所引起的薄膜應力。一次局部薄膜應力（primary local membrane stress）PL。應力水平大于一次總體薄膜應力，但影響范圍僅限于結構局部區(qū)域的一次薄膜應力6。如，在殼體的固定支座或接管處由外載荷和力矩引起的薄膜應力。一次彎曲應力（primary bending stress）Pb。平衡壓力或其他機械載荷所需的沿截面厚度方向線性分布的彎曲應力6，如，平蓋上壓力引起的彎曲應力。二次應力（second

23、ary stress）Q。由于容器部件的自身約束或相鄰部件的約束而產生的正應力或剪應力5?；蛘邼M足變形協調（連續(xù)性）要求所必須的應力。其特點也有兩個：一是滿足變形條件；二是自限性。即局部屈服和小量塑性變形就可以使約束條件或變形條件得到滿足，從而使變形不再繼續(xù)增大，只要不反復加載，結構處于“安定”狀態(tài)，不會導致破壞，所以，二次應力的許用值應根據“安定性”的概念予以限制，如熱應力和結構不連續(xù)處的彎曲應力。峰值應力（peak stress）F。由于結構不連續(xù)，而加到一次應力和二次應力之上的應力增量5。其特征為：一般同時有自限性和局部性，整體不變形，但往往是引起疲勞和脆性斷裂的根源。在疲勞設計時，需要

24、對峰值應力加以限制?？刂埔淮螒O限是為了防止過分彈性變形，包括穩(wěn)定在內；控制一次應力與二次應力疊加的極限，是為了防止過分的彈性變形和增長性破壞塑性不安定；控制峰值應力極限的目的是防止由周期性載荷引起的疲勞破壞。7應力分類與容器的破壞形式往往存在對應關系，如：薄膜應力對應容器開裂；彎曲應力對應容器變形；二次應力對應容器的安定性問題；峰值應力對應容器的疲勞開裂。 一次應力中的總體薄膜應力的應力強度小于或等于許用應力，即（Pm）。 一次應力中的局部薄膜應力的應力強度1.5，即PL1.5（在規(guī)定設計中，= s1.6，再分析設計中= s1.5）。 一次應力中的總體薄膜應力或局部薄膜應力和彎曲應力之和的

25、應力強度1.5，即Pm（PL）Pb1.5。 一次應力中的總體薄膜應力或局部薄膜應力和彎曲應力與二次應力之和的應力強度3，即Pm（PL）PbQ3（在規(guī)則設計中，= s3.0，在分析設計中= b2.6）。 一次應力與二次應力及峰值應力之和的應力強度不能超過由疲勞曲線所確定的許用應力，即Pm（PL）PbQFSa8。壓力容器典型零部件中的應力分類見表1。表1 壓力容器典型零部件中的應力分類零部件名稱應力位置引起其應力的原因應力分類符號圓柱形或球形殼體遠離不連續(xù)處的殼壁內壓總體薄膜應力沿壁厚的應力梯度（如厚壁筒）二次應力PmQ軸向溫度梯度薄膜應力、彎曲應力二次應力Q與封頭或法蘭的連接處內壓局部薄膜應力一

26、次應力彎曲應力二次應力PLQ任何殼體或封頭沿整個容器的任何截面外部載荷或力矩，或內壓沿整個截面平均的總體薄膜應力，垂直于橫截面總體薄膜應力Pm外部載荷或力矩沿整個截面的線性分布（并非沿厚度）的彎曲力，垂直于橫截面總體薄膜應力Pm在接管或其他開孔的附近外部載荷或力矩，或內壓局部薄膜應力一次應力彎曲應力二次應力峰值應力（填角或直角）PLQF任何位置殼體和封頭間溫差薄膜應力、彎曲應力二次應力Q凸形封頭或錐形封頭頂部內壓總體薄膜應力一次彎曲應力PmPb過渡區(qū)域與殼體連接處內壓局部薄膜應力一次應力彎曲應力二次應力PLQ平封頭中央區(qū)內壓總體薄膜應力一次彎曲應力PmPb與殼體連接處內壓局部薄膜應力一次應力彎

27、曲應力二次應力PLQ多孔的封頭或殼體均勻布置的典型管孔帶壓力薄膜應力（沿橫截面平均分布）一次應力彎曲應力（沿管孔帶寬度平均，沿壁厚線性分布）一次應力峰值應力PmPbF分離的或非典型的孔帶壓力薄膜壓力二次應力彎曲應力峰值應力峰值應力QFF接管垂直于接管軸線的橫截面內壓或外部載荷或力矩外部載荷或力矩總體薄膜應力（沿截面平均）沿接管截面的彎曲應力總體薄膜應力PmPm接管壁內壓總體薄膜應力局部薄膜應力二次彎曲應力峰值應力PmPLQF膨脹差薄膜應力、彎曲應力二次應力Q峰值應力F覆層任意位置熱膨脹差薄膜應力、彎曲應力峰值應力F任何部件任意位置沿殼壁厚度方向上的溫度梯度當量線性應力應力分布的非線性部分QF任

28、何部件任意位置任意原因應力集中（缺口效應）F（2）設計準則壓力容器的設計準則與失效準則是一個問題的兩個方面，采用何種設計準則就是采用何種失效準則的問題。設計壓力容器時，首先應確定容器的失效準則，然后按失效準則選擇強度理論和計算公式，并確定安全系數。在壓力和溫度作用下喪失了正常的工作能力為失效，失效的最終表現形式為泄露、過度變形和斷裂，所以失效不完全等同于破壞。壓力容器失效形式大致可分為強度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏時效。壓力容器的設計準則通常有下列幾種5,8。 彈性失效準則。按照彈性強度理論，當容器上邊緣地區(qū)的相當應力達到屈服時，即為容器承受的極限狀態(tài)。它規(guī)定了屈服極限是容器失效的應力?？?/p>

29、慮安全系數后，容器實際應力處在彈性范圍內。GB 150對內壓圓筒、內壓凸形封頭等原件的設計公式都是按彈性失效原理制定的。 塑性失效準則。該準則認為，容器上某一點達到屈服時，并不會導致容器的失效。只有當整體屈服時，才是容器承受的極限狀態(tài)。它規(guī)定了全屈服壓力是容器失效的最高壓力。考慮安全系數后，可得彎曲壓力的強度校核條件達1.5t。對于脆性材料，盡管也是承受彎曲應力，但當器壁表面達s再繼續(xù)增加外載荷時，器壁表面不能產生較大的塑性變形而將導致破裂。所以，僅從壓力容器設計中引入塑性失效準則這一點考慮，選材時也要盡量將塑性較差的脆性材料排除在外，或采取相應的限制措施。JB 47321995鋼制壓力容器分

30、析設計標準提供了以塑性失效準則為基礎的設計方法。GB 150對平板、對整體法蘭（包括按整體法蘭設計的任意式法蘭）連接的圓筒（或接管）頸部等原件的設計或應力計算公式，都是按塑性失效原理制定的。 彈塑性失效準則。彈塑性失效準則適用于反復加載過程。按照應力分類的概念，當容器邊緣地區(qū)出現一定量的局部塑性變形時，即為容器承載的極限狀態(tài)。它考慮到由于邊緣應力產生過大的塑性變形時，將會加速疲勞破壞或造成脆性斷裂。由于這一失效準則，允許結構有局部的塑性變形存在，且由于應力在結構各處的分布不均勻，局部塑性區(qū)為廣大彈性區(qū)所包圍，故稱之為彈塑性失效準則。彈塑性失效準則也不適用于脆性材料。JB 47321995鋼制壓

31、力容器分析設計標準提供了以彈塑性失效準則為基礎的設計方法。GB 150對內壓錐形和封頭和圓筒的連接、無折邊球形封頭對圓筒的連接等件的設計公式和圖表，都是按彈塑性變形失效原理制定的。 疲勞失效準則。該準則認為，容器在交變載荷作用下，當最大交變應力（在循環(huán)次數一定時）或循環(huán)次數（在最大交變應力一定時）達到疲勞設計曲線的規(guī)定值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。當設計規(guī)定要求考慮容器的疲勞問題時，除對容器進行強度計算外，還需進行疲勞設計，即進行容器壽命計算?！鞍捶治鲈O計”的容器設計規(guī)范包括疲勞設計方法。由于疲勞設計涉及彈塑性失效準則，所以將疲勞設計列入分析設計體系，應當采用JB/T 47321995鋼制壓力

32、容器分析設計標準標準，它在選材、設計、結構、制造、檢驗等方面都嚴于按規(guī)定設計的GB 150標準。應力循環(huán)次數超過105為高周疲勞，102105為低周疲勞。JB/T 47321995規(guī)定對于常溫抗拉強度b550MPa的鋼材，疲勞循環(huán)次數小于1000次可免做疲勞分析。對于承受疲勞載荷的壓力容器而言，通常要求采用正火鋼板且對鋼板逐張進行超聲波檢測級合格，大多都要求對焊接接頭進行百分之百無損檢測并對設備進行焊后消除應力熱處理。采用下述措施可提高其可靠性：對焊接接頭余高打磨至與母材平齊；角焊縫的內外尖角倒圓；適當提高殼體厚度以降低一次應力水平（提高設計壓力是從另一方面體現了這一目的，壓力波動不超過設計壓

33、力20%時可以考慮免除按疲勞設計）；通過結構受力分析盡可能使“該薄的薄，該厚的厚”。 斷裂失效準則。是按照斷裂力學概念，以造成容器低應力脆斷時的應力或裂紋尺寸作為臨界狀態(tài)的一種計算準則。這種臨界狀態(tài)和相應的斷裂失效準則有臨界應力強度因子及K準則，臨界裂紋張開位移及COD準則，臨界J積分準則。斷裂失效準則一般應用于帶有超標缺陷的在役壓力容器的評定，以判定該容器是否可以繼續(xù)使用（有條件下的監(jiān)督使用）或報廢。我國在1984年公布的壓力容器缺陷評定規(guī)范（CVDA1984）后續(xù)又有GB/T 19624在用含缺陷壓力容器安全評定，以COD準則為主；工程中準對應力腐蝕的研究方法和相應技術措施常以KIC為主；

34、準備編制的超高壓容器標準中的材料技術指標也是按KIC為判斷指標。直接應用斷裂失效準則受到限制，但是其基本思想是被廣泛采用的，例如規(guī)則設計中對高強度材料制造的壓力容器給予特殊的關注；開孔補強結構中限制過厚的補強圈被使用；低溫壓力容器的特殊設計問題；碳鋼和低合金鋼制壓力容器水壓試驗時的最低水溫限制等都是斷裂力學思想在壓力容器中的具體體現和應用。 蠕變失效準則。這是容器處在高溫工作下的一種設計準則。容器在高溫和一定應力的長期作用下，塑性變形將不斷積累。當其蠕變速率（或等效蠕變應力）達到一定值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。按照蠕變失效準則進行設計時，應將容器的蠕變值（或按蠕變方程算得的相當應力）限制在某

35、一許用范圍。但規(guī)則設計對高溫容器的設計僅在某一定的高溫下選用合適的高溫用材料，并按蠕變極限和持久強度來確定其許用應力，以便對蠕變值進行控制。一般認為，當溫度高于金屬材料的0.250.35Tm(或以絕對溫度表示的熔點)時，需要考慮蠕變問題。當碳素鋼的溫度超過300350oC、低合金鋼超過400 oC、低合金鉻鉬剛超過450 oC、奧氏體不銹鋼超過550 oC的情況下，考慮蠕變問題。高溫條件下鋼材許用應力“t”的確定是蠕變理論在規(guī)則設計中的具體應用。 腐蝕失效?；毫θ萜鞯母g失效是指與介質接觸的器壁收到腐蝕性介質的侵蝕而產生破壞，它可以分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩大類。對腐蝕失效的控制實質上就是根

36、據介質特性正確地選用合適的材料及合適的防腐蝕措施。在通常情況下，均勻腐蝕的限制條件，實際上就是彈性失效準則的限制條件，即在按照最大主應力計算出殼體厚度的基礎上增加腐蝕余量；對于局部腐蝕，它不僅與容器的用材有關，而且與介質及其使用溫度、壓力、應力水平等有關，因此，局部腐蝕失效至今尚無統(tǒng)一的限制條件。（3） 設計標準GB 1501998鋼制壓力容器中采用的是彈性失效準則。具體的解題方法：用平面力系解法，按彈性失效準則來判斷容器的強度。對于因壓力引起的不同應力狀態(tài)（拉、彎、扭、剪及其組合），均采用相同的許用應力值，用調整計算公式中有關系數的方法體現其差別，如封頭、平蓋、密封結構等的計算。具體說，對于

37、容器中存在的一次局部薄膜應力、彎曲應力、二次應力以及他們的組合，采用極限分析和安定性分析準則將這些應力控制在與使用經驗相吻合的安全水平。在標準中，通過限制元件結構的某些相關尺寸、采用應力增大系數、考慮形狀系數等公式將這些局部應力控制在許用范圍內7。所以在確定技術方案時，特別要注意標準中相關內容的“前提條件”、“邊界條件”。壓力容器設計有兩種方法，即規(guī)則設計法和分析設計法。前者是基于經驗方法的設計，其典型過程是確定設計載荷，選用設計公式、曲線和表格，并對所用材料取一個安全應力，最終給出容器的基本厚度，然后根據規(guī)范允許的構造細則及有關設計規(guī)則進行制造。GB 1501998鋼制壓力容器為規(guī)則設計，按

38、彈性失效準則應用解析方法進行應力計算，從而簡化了設計計算，與JB 47321995鋼制壓力容器分析設計標準相比具有計算簡單、使用方便等特點，故得到了廣泛應用。在GB 1501998鋼制壓力容器與JB 47321995鋼制壓力容器分析設計標準兩個標準的相互覆蓋適用范圍內，可按經濟效益對比和應用配合考慮任選其一。JB/T 4735鋼制焊接常壓容器與GB 150鋼制壓力容器一樣都屬于規(guī)則設計標準。JB 4732鋼制壓力容器分析設計標準的基本思路與ASME 2相同。GB 150、JB 4732和JB/T 4735的適用范圍和主要區(qū)別見表29。表2 GB 150、JB 4732和JB/T 4735的適用

39、范圍和主要區(qū)別項目GB 150JB 4732JB/T 4735設計壓力0.1MPaP35MPa，真空度不低于0.02MPa0.1MPaP100MPa，真空度不低于0.02MPa0.02MPaP0.1MPa設計溫度按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700 oC，最低為196 oC）低于以鋼材蠕變控制其設計應力強度的相應溫度（最高475oC）20oC（大于）350oC（奧氏體高合金剛制容器和設計溫度低于20oC，但滿足低溫低應力工況，且調整后的設計溫度高于20oC的容器不受此限制）對介質的限制不限不限不適用盛裝高度毒性或極度危害介質的容器設計準則彈性失效設計準則和失穩(wěn)失效設計準則塑性失效設計準則、失

40、穩(wěn)失效設計準則和疲勞失效設計準則，局部應力用極限分析和安定性分析結果來評定彈性失效設計準則和失穩(wěn)失效設計準則項目GB 150JB 4732JB/T 4735應力分析方法以材料力學、板殼理論公式為基礎，并引入應力增大系數和形狀系數彈性有限元法；塑性分析；彈性理論和板殼理論公式，試驗應力分析以材料力學、板殼理論公式為基礎，并引入應力增大系數和形狀系數強度理論最大主應力理論最大切應力理論最大主應力理論是否適用于疲勞分析容器不適用適用，但有免除條件不適用在我國壓力容器標準體系中，GB 150鋼制壓力容器是最基本的、應用最廣泛的標準，其技術內容與ASME-1、JIS B 8270（除第1種容器除外）等先

41、進工業(yè)化國家的壓力容器標準大致相當，但在適用范圍、許用應力和一些技術指標上有所不同。下面以ASME標準為例進行比較。 標準的適用范圍。中國GB 150與ASME標準在適用范圍上的主要差別為壓力限定和容器用材的限制。中國標準的壓力限定有明確的數值，所適用的材料僅為剛才；ASME則只給出一般限定，在滿足特定的要求后，可以突破壓力限制，并且除鋼材外，也規(guī)定了有色金屬、鎳基合金、鑄鋼等材料的應用范圍、許用應力和制造檢驗要求等。表3給出了兩國標準中的壓力限定值。表3 中、美兩國壓力容器標準中壓力限定值比較（MPa）中國壓力容器標準ASME標準標準名稱壓力限定標準名稱推薦壓力范圍GB 150鋼制壓力容器3

42、5ASME-120JB 4732鋼制壓力容器分析設計標準100ASME-270ASME-370 安全系數。許用應力是壓力容器標準中的基本參數，由材料的力學性能除以相應的材料設計系數來確定。GB 150中確定鋼材許用應力時，低碳鋼和低合金鋼的屈服強度及抗拉強度的安全系數分別為1.6與3.0，與此相對應，ASME-1中的數值為1.5與3.5。2.4 壓力容器殼體形狀選擇圓筒形殼體應力分布比較均勻，承載能力高，較球形殼體容易制造，也便于內件的設置和拆卸，并且藥包在載物臺上放置的部位要使爆炸時殼體內壁各處受到的沖量盡可能相等或對稱，所以在這種情況下，根據我們的實際需要，本畢業(yè)設計選擇圓筒形殼體。第三章

43、 壓力容器基本參數設計3.1 壓力容器殼體材料的選擇材料是構成各種設備的物質基礎，在壓力容器設計中，能夠與強度計算和結構設計并重唯有材料及其影響因素材料及其影響因素是設計中的難點。壓力容器生產的多樣性和設備的功能性，給選材帶來了一定的復雜性，材料科學所具有半科學、半經驗性質給選材更增加了難度。（1） 選材原則壓力容器用材的主要選擇依據：容器的適用條件，如溫度、壓力、介質、操作特點和結構特點；材料力學性能；材料的耐腐蝕性能，包括選材、防腐蝕結構、防腐蝕襯里、腐蝕裕量、條件控制等；材料的加工性能，如可焊性、冷熱加工成型性等；材料的價格及來源；同一工程設計中用材要統(tǒng)一。針對目前壓力容器的現狀還應當注

44、意，要盡量優(yōu)先選用壓力容器規(guī)范推薦的材料及國內材料標準中已有的材料，并且盡量采用國產材料。從性能方面考慮，下述原則可供參考：以剛度或結構設計為主的設備，受壓容器應選用普通碳素鋼，以強度設計為主的設備，應根據設計壓力、設計溫度、介質性質等使用限制，依次選用Q235A.F、Q235A、Q235B、Q235C、20R、16MnR等鋼板；以強度設計為主的普通碳素鋼壓力容器，當板厚大于或等于8mm時，可選用16MnR等普通低合金鋼；鉻鉬低合金鋼可作為設計溫度350550oC的壓力容器耐熱鋼或大于250oC的高溫高壓抗氫用鋼；不銹鋼用于介質腐蝕性較強、防鐵離子污染或設計溫度大于500oC的耐熱用鋼（2）

45、材料問題的討論為能選擇合適的材料制造壓力容器，保證壓力容器安全正常地進行工作，必須首先了解材料的基本性能10。金屬材料在一定的溫度和外力作用下，所表現出抵抗某種變形或破壞的能力稱為材料的力學性能。下面首先簡單介紹下一般的力學性能。屈服強度s表現材料發(fā)生塑性變形的最小應力，反映材料抗微量塑性變形的能力?？估瓘姸萣表現材料在拉斷前所能承受的最大應力值，它表示材料抵抗斷裂的能力。伸長率是指試樣拉斷后的伸長量與原長度之比，表現材料被拉伸的程度。斷面收縮率ø指試樣拉斷后的斷面與原截面之比，表現材料被拉細的程度。沖擊韌性是指材料在受到外加沖擊載荷的作用下，斷裂時消耗的功除以試樣缺口斷面面積而得到

46、的商值。斷裂韌性KIC為第一類裂紋尖端應力強度因子的臨界值，又稱為平面應變條件下的斷裂韌性。耐腐蝕性能是材料在使用條件下抵抗腐蝕介質侵蝕的能力。材料遭受腐蝕后，其質量、厚度、力學性能、組織結構及電極過程等都都可能發(fā)生變化，其變化程度可以衡量材料的耐腐蝕性能。對于均勻腐蝕，通常以腐蝕速率來衡量金屬材料的耐腐蝕性能。金屬良好的焊接性能要求焊縫和熱影響區(qū)的性能與母材性能基本一致，焊縫處產生氣孔、夾雜、裂紋等缺陷的傾向性低。鋼材的焊接性能影響最大的是含碳量，含碳量增加，塑性下降，淬硬傾向增大，容易產生裂紋。除焊接性能外的冷熱加工性能，常由材料力學性能要求的力學性能塑性指標保證。壓力容器材料的冷加工性能

47、一般還用冷彎試驗衡量，冷彎性能的好壞也能反映材料塑性的高低。壓力容器材料的物理性能也是選材要考慮的。壓力容器使用在不同的場合，對材料的物理性能也有不同的要求。如高溫容器要用熔點高的材料，要進行換熱的容器要用導熱系數較高的材料，如此可以節(jié)省材料。（3） 殼體材料的選擇壓力容器要承受起介質產生的沖擊波的反射壓力和氣體產物的作用壓力，同時還要受高溫或低溫或腐蝕介質的作用，所以殼體材料一般選擇力學性能高、抵抗介質腐蝕能力強的。伸長率與斷面收縮率ø都是塑性指標，相應的數值愈大，材料的塑性愈好，在壓力容器設計中往往要求材料有較好的塑性，不僅適應加工制造的需要，更重要是為了在壓力容器使用中，緩解高

48、度集中的局部應力，避免容器因局部應力升高而導致的脆性破裂。一般情況下，材料強度的提高總會使塑性和沖擊韌性下降，從而使制造工藝變的復雜，脆性破壞可能性變大，而且應力集中的負效應在高強度材料中更加突顯。沖擊韌性高的高低，取決于材料有無迅速變形的能力。沖擊韌性高的材料，一般都有較高的塑性，沖擊韌性時強度與塑性的綜合指標，但塑性對韌性影響更大些。殼體材料要承受瞬時強沖擊載荷，在這種情況下，它的力學性能與靜態(tài)時有很大的不同，材料的應力、應變以及應變率的關系變得很復雜，此時設計中要考慮材料的動態(tài)屈服應力。下圖5給出了幾種鋼材的動態(tài)屈服應力試驗曲線。圖5 動態(tài)屈服應力d與應變力的關系動態(tài)屈服應力d與應變力的

49、關系服從如下對數關系：lgdAmlg 或 dT(。)T為動態(tài)屈服點（MPa），A為壓縮接觸面積（m2），指數m如圖所示，由試驗確定。從上圖4可知，應變率對純鐵、45號剛、A3(Q235A級鋼)等軟鋼特別明顯。軟鋼有明顯的屈服點，破壞前有明顯的預兆，較大的變形。硬鋼強度高，但塑性差，脆性大，從加載到突然拉斷，基本上不存在屈服階段。所以，我們可以選擇軟鋼作為殼體材料。 中高壓壓力容器大多選用優(yōu)質碳素鋼，優(yōu)質碳素鋼含硫、磷雜質較少，硫0.040%，磷0.040%，塑性好，抗冷脆性等相對質量較好。下表4給出了35號和45號優(yōu)質碳素結構鋼化學成分及力學性能的一些數據。表4 35號和45號優(yōu)質碳素結構鋼化

50、學成分及力學性能11鋼號CSiMnbMPasMPa5%AkJ350.320.400.170.370.500.80530315204555450.420.500.170.370.500.80600355164039由上表4可知，雖然35號鋼的抗拉強度b和屈服強度s都較45號鋼的小，而延伸率5、斷面收縮率以及沖擊功Ak均大于45號鋼。所以根據以上分析選用35號鋼作為殼體材料較好。殼體材料不易采用鋼板卷制或焊接，因為在焊接過程中，對焊縫金屬組織會產生不利影響，同時在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導致焊縫極其附近區(qū)域可能低于剛體本體的強度。所以，為了提高殼體強度，應選用無縫結構。綜上所述本畢

51、業(yè)設計選用35號優(yōu)質碳素結構鋼的無縫鋼管。3.2 筒體設計參數的確定根據要求，壓力容器正常工作壓力3.0 MPa,最大工作壓力5.5 MPa，容積為60L，選取無縫鋼管325 mm，壁厚13 mm，尺寸允許偏差：外徑±1.25%，壁厚允許偏差±10%。圓筒形： （ 3.21 ）由公式（ 3.21 ）可以求出圓筒高h= 723 mm根據GB 150-89規(guī)定，許用應力的計算公式為，是殼體材料的抗拉強度或屈服強度，n是抗拉強度或屈服強度安全系數，GB 150-89規(guī)定碳素鋼抗拉強度安全系數取3.0，屈服強度安全系數取1.6。由殼體材料的抗拉強度確定的許用應力為：由殼體材料的屈服

52、強度確定的許用應力為：根據GB 150-89規(guī)定，取抗拉強度和屈服強度確定的許用應力中較小的值，故=176.7MPa5.5MPa。由應力分析可知，中徑D，壁厚為S的圓筒形殼體，承受均勻介質內壓p時，其器壁中產生如下徑向和周向薄膜應力12： （ 3.22 ）式中為鋼材在設計溫度下的許用應力，單位為MPa，為焊接接頭系數，由于在焊接加熱過程中，對焊縫金屬組織產生不利影響，同時在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導致焊縫及其附近區(qū)域強度可能低于鋼材本體的強度。因此，在上式（ 3.22 ）中鋼材的許用應力應該用強度較低的焊縫許用應力代替，焊接接頭系數1。由于本畢業(yè)設計選擇的是無縫鋼管作為殼體材料

53、，所以此處取1。內壓圓筒計算厚度S的求解公式如下： （ 3.23 ）設計時，應以計算壓力代替式（ 3.23 ）中的p，即： （ 3.24 ）式中為計算壓力MPa，Di為圓筒內直徑mm，采用無縫鋼管做筒體時，公稱直徑是其外直徑Do，而Di=Do-2S，代入式（ 3.24 ）可得： （ 3.25 ）其中最大工作壓力為5.5MPa，則取=1.1×5.5MPa=6.05MPa，查表得35鋼的屈服強度為315MPa，取安全系數為3，可求得35鋼的許用應力為105MPa，所以可求得：圓筒殼體計算壁厚：將圓筒殼體計算壁厚S代入式（ 3.22 ）滿足圓筒殼體設計壁厚計算公式：圓筒殼體名義壁厚計算公式

54、：圓筒殼體有效壁厚計算公式：其中為腐蝕裕量，mm；為鋼管或鋼板厚度負偏差，mm；C為壁厚附加量，mm，壁厚附加量可按下式計算：鋼管厚度負偏差和腐蝕裕量分別如下表5和表610所示。表5 鋼管厚度負偏差鋼管種類壁厚（mm）負偏差（%）碳素鋼或低合金鋼20201512.5不銹鋼1010201520表6 腐蝕裕量介質腐蝕速率（mm/y）腐蝕裕量單面腐蝕雙面腐蝕0.05120.050.112240.1根據本畢業(yè)設計的實際情況，選取為2mm，為1.4mm。所依據以上分析可以算出：圓筒殼體設計壁厚：圓筒殼體名義壁厚：圓筒殼體有效壁厚：圓筒殼體的最大允許工作壓力為：3.3 壓力容器封頭設計封頭是容器的重要組成

55、部分，常見的有凸形封頭、錐形封頭和平板封頭。這些在強度和制造等方面各有特點，采用什么樣的封頭要根據工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。（1） 內壓凸形封頭凸形封頭又包括以下半球形封頭、橢圓封頭、碟形封頭、球冠形封頭。 半球形封頭半球形封頭是由半個球殼構成的。故按無力矩理論計算，需要的厚度是同樣直徑的圓筒的二分之一。若厚度取與圓筒一樣大小，則由前面的不連續(xù)分析可知，兩者連接處的最大應力比圓筒周向薄膜應力大3.1，故從受力來看，球形封頭是最理想的結構形式，但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量亦較大。 碟形封頭碟形封頭又稱帶折邊球形封頭，由三部分構成：以Ri為半徑的球面、以r為半徑的過渡圓弧(即折邊)和高度為h的直邊。球面半徑越大，折邊半徑越小，封頭的深度將越淺，這對于加工成型有利。但是考慮到球面部分與過渡區(qū)聯接處的局部高應力，規(guī)定碟形封頭球面部分的半徑一般不