壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)I壓力容器的應(yīng)力分類

1、華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類2第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述第二節(jié) 壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類3第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 一、分析設(shè)計(jì)方法概述 二、容器的應(yīng)力分類 三、分析設(shè)計(jì)法對各類應(yīng)力強(qiáng)度的限制 四、應(yīng)力分析設(shè)計(jì)的程序及應(yīng)用第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類4二、容器的應(yīng)力分類 化工容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類的基本原則是： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 應(yīng)力產(chǎn)生的原因，是外載荷直接

2、產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的；l 應(yīng)力的分布，是總體范圍還是局部范圍的，沿壁厚的分布是均勻的還是線性的或非線性的；l 對失效的影響，即是否會造成結(jié)構(gòu)過度的變形，及是否導(dǎo)致疲勞、韌性失效。 l 應(yīng)力分類法將容器中的應(yīng)力分為三大類： 一次應(yīng)力； 二次應(yīng)力； 峰值應(yīng)力。6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類5二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力P(Primary stress) 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 一次應(yīng)力P也稱基本應(yīng)力，是為平衡壓力和其他機(jī)械載荷所必需的法向應(yīng)力或剪應(yīng)力，可由與外載荷的平衡關(guān)系求得，由此一次應(yīng)力必然直接隨外載荷的增加而增加。l 對于理想塑性材料，載荷達(dá)

3、到極限狀態(tài)時即使載荷不再增加，仍會產(chǎn)生不可限制的塑性流動，直至破壞。l 這就是一次應(yīng)力的“非自限性”特征。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類6二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力P (Primary stress)一次應(yīng)力還可以再分為如下三種： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 一次總體薄膜應(yīng)力Pm (General primary membrane stress) p這是指在容器總體范圍內(nèi)存在的一次薄膜應(yīng)力，在達(dá)到極限狀態(tài)的塑性流動過程中不會發(fā)生重新分布。沿壁厚(截面)均勻分布的法向應(yīng)力即指薄膜應(yīng)力，或者指沿壁厚截面法向應(yīng)力的平均值。p一次總體薄膜應(yīng)力的實(shí)例有：圓筒形殼體及

4、任何回轉(zhuǎn)殼體的封頭在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位的由壓力引起的薄膜應(yīng)力、厚壁圓筒由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力以及周向應(yīng)力沿壁厚的平均值。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類7二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力P (Primary stress)一次應(yīng)力還可以再分為如下三種： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 一次彎曲應(yīng)力Pm (Primary bending stress) p由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷作用產(chǎn)生的沿壁厚成線性分布的法向應(yīng)力。如：平板封頭遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)的中央部位在壓力作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。p一次彎曲應(yīng)力與一次總體薄膜應(yīng)力的不同之處在于沿壁厚的分布是線性的而不是均布的。p對受彎的板，當(dāng)

5、兩個表面的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時，內(nèi)部材料仍處于彈性狀態(tài)，可以繼續(xù)承載，此時應(yīng)力沿壁厚的分布將重新調(diào)整。因此這種應(yīng)力不像總體薄膜應(yīng)力那樣容易使殼體失效，允許有較高的許用應(yīng)力。對一次彎曲應(yīng)力可以用極限分析方法作強(qiáng)度校核。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類8二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力P (Primary stress)一次應(yīng)力還可以再分為如下三種： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 一次局部薄膜應(yīng)力PL (General local membrane stress) p這是指由內(nèi)壓或其他機(jī)械載荷在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力(一次的)和結(jié)構(gòu)不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力(二次的)的

6、統(tǒng)稱，從保守考慮將此種應(yīng)力劃為一次局部薄膜應(yīng)力。p例如圓筒中由壓力產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力在遠(yuǎn)離不連續(xù)區(qū)的地方稱一次總體薄膜應(yīng)力(Pm)，而在不連續(xù)區(qū)則稱為一次局部薄膜應(yīng)力(PL)。p由總體不連續(xù)效應(yīng)在殼體的邊緣區(qū)域產(chǎn)生的周向薄膜應(yīng)力，雖然具有二次應(yīng)力的性質(zhì)，但從方便和穩(wěn)妥考慮仍保守地視為一次性質(zhì)應(yīng)力。p永久性支座或接管給予殼體的局部力與力矩而產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力也是一次局部薄膜應(yīng)力。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類9二、容器的應(yīng)力分類 (一) 一次應(yīng)力P (Primary stress)一次應(yīng)力還可以再分為如下三種： 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 一次局部薄膜應(yīng)力PL (Genera

7、l local membrane stress) p“局部”與“總體”是按經(jīng)線方向的作用區(qū)域來劃分的，如果應(yīng)力強(qiáng)度超過1.1的區(qū)域沿經(jīng)線方向的延伸距離小于1.0Rt，或者兩個超過1.1的一次局部薄膜應(yīng)力區(qū)在經(jīng)線方向的距離不小于2.5Rt，都可以認(rèn)為是局部的，否則劃為總體的。此處R為殼體的第二曲率半徑，t為壁厚；若為兩個相鄰殼體，則R0.5(R1+R2)，t0.5(t1+t2)。p當(dāng)結(jié)構(gòu)局部發(fā)生塑性流動時，這類應(yīng)力將重新分布。若不加限制，則當(dāng)載荷從結(jié)構(gòu)的某一部分(高應(yīng)力區(qū))傳遞到另一部分(低應(yīng)力區(qū))時，會引起過度的塑性變形而失效。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類10二、容器的應(yīng)

8、力分類 (二) 二次應(yīng)力Q (Secondary stress)第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 二次應(yīng)力Q是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的法向應(yīng)力或切應(yīng)力，基本特征是具有自限性。l 筒體與端蓋的連接部位存在“相鄰部件”的約束，厚壁容器內(nèi)外壁存在溫差時就形成“自身約束”。二次應(yīng)力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，不是為平衡外載荷所必需的，而是在受載時在變形協(xié)調(diào)中產(chǎn)生的。當(dāng)約束部位發(fā)生局部的屈服和小量的塑性流動使變形得到協(xié)調(diào)，產(chǎn)生這種應(yīng)力的原因(變形差)便得到滿足與緩和。亦即應(yīng)力和變形也受到結(jié)構(gòu)自身的抑制而不發(fā)展，這就是自限性。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類11二、容器的

9、應(yīng)力分類 (二) 二次應(yīng)力Q (Secondary stress)第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 二次應(yīng)力的例子有：p總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位，如筒體與封頭、筒體或封頭與法蘭連接處的不連續(xù)應(yīng)力中的彎曲應(yīng)力屬二次應(yīng)力；p總體熱應(yīng)力，如圓筒殼中軸向溫度梯度所引起的熱應(yīng)力，由接管和與之相接殼體間的溫差所引起的熱應(yīng)力，由殼壁徑向溫差引起的熱應(yīng)力的當(dāng)量線性分量以及厚壁容器由壓力產(chǎn)生的應(yīng)力梯度，這些都屬于二次應(yīng)力。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類12二、容器的應(yīng)力分類 (三) 峰值應(yīng)力F (Peak stress)第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) l 峰值應(yīng)力F是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力

10、的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量。峰值應(yīng)力最主要的特點(diǎn)是高度的局部性，因而不引起任何明顯的變形。其有害性僅是可能引起疲勞裂紋或脆性斷裂。l 局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)是指幾何形狀或材料在很小區(qū)域內(nèi)的不連續(xù)，只在很小范圍內(nèi)引起應(yīng)力和應(yīng)變增大，即應(yīng)力集中，但對結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布和變形沒有重大影響。l 結(jié)構(gòu)上的小半徑過渡圓角、部分未焊透及咬邊、裂紋等缺陷處均有應(yīng)力集中，均存在附加在一次與二次應(yīng)力之上的峰值應(yīng)力。l 平板開孔為例，均勻拉伸膜應(yīng)力為 ，應(yīng)力集中系數(shù)為Kt，則F (Kt-1) 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類13第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 二、容器的應(yīng)力分類 JB 4732

11、6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類14第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 二、容器的應(yīng)力分類 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類15第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 二、容器的應(yīng)力分類 l(1) 部位A 屬遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，受內(nèi)壓及徑向溫差載荷。由內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力分兩種情況：當(dāng)筒體尚屬薄壁容器時其應(yīng)力為一次總體薄膜應(yīng)力(Pm)；當(dāng)屬厚壁容器時，內(nèi)外壁應(yīng)力的平均值為一次總體薄膜應(yīng)力(Pm)，而沿壁厚的應(yīng)力梯度劃為二次應(yīng)力(Q)。6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類16第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 二、容器的應(yīng)力分類 l(1) 部位A p由徑向溫差引起的溫差應(yīng)

12、力沿壁厚呈非線性分布，近壁面(例如內(nèi)壁)溫差應(yīng)力的梯度很大，局部區(qū)域雖有應(yīng)力陡增但不會引起殼體發(fā)生顯著變形。p將非線性分布的溫差應(yīng)力作等效的線性化處理，即按對Or線凈彎矩等效的原則作處理可得到等效的線性分布的溫差應(yīng)力，分類為二次應(yīng)力Q。線性與非線性間的差值分類為峰值應(yīng)力F，圖中標(biāo)出的F就是這種應(yīng)力。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類17第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 二、容器的應(yīng)力分類 l(2) 部位B 包括Bl、B2及B3等3個幾何不連續(xù)部位 。p均存在由內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力，但因處于不連續(xù)區(qū)，該應(yīng)力沿壁厚的平均值應(yīng)劃為一次局部薄膜應(yīng)力(PL)，p應(yīng)力沿壁厚的梯度為二次應(yīng)力(Q)。p由總體不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力也為二次應(yīng)力(Q)，而不連續(xù)效應(yīng)的周向薄膜應(yīng)力應(yīng)偏保守地劃為一次局部薄膜應(yīng)力(PL) 。p另外由徑向溫差產(chǎn)生的溫差應(yīng)力已如部位A所述，作線性化處理后分為二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力(Q+F)。因此Bl、B2和B3各部位的應(yīng)力分類為(PL+Q+F)。 6.4化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)-壓力容器的應(yīng)力分類18第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì) 二、容器的應(yīng)力分類 l(3) 部位Cp內(nèi)壓在球殼與接管中產(chǎn)生的應(yīng)力(PL+Q)；p球殼與接管總體不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力(P