化工设备机械基础：第五章 外压圆筒与封头的设计

第一章化工设备材料及其选择二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量Ａ组B组：第二章容器设计的基本知识一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围第三章 内压薄壁容器的应力分析和MP S m 63844=⨯==σSPRR m =+21σσθ MP SPD634==σθ2. 圆锥壳上之A 点和B 点，已知：p=，D=1010mm ，S=10mm ，a=30o 。

αcos 2,:21DA R R =∞=点MP S PD m 58.14866.010410105.0cos 4=⨯⨯⨯==ασ SPRR m =+21σσθ MP S PD 16.29866.010210105.0cos 2=⨯⨯⨯==ασθ0,:21=∞=R R B 点0==σσθm3. 椭球壳上之A ，B ，C 点，已知：p=1Mpa ，a=1010mm ，b=505mm ，S=20mm 。

B 点处坐标x=600mm 。

25051010==b a 标准椭圆形封头bb b y x A a R a R 2221,:),0====点（MP S Pa m 5.502010101=⨯===θσσMPa sbPB b a x am 3.43)(2 2224=--=σ点：MPa b a x a a sbP ba x a 7.27)(2)(2 222442224=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----=θσ:)0,(==y a x C 点MPa S Pa m 25.25202101012=⨯⨯==σ MPa S Pa 5.502010101-=⨯-=-=σθ五、 工程应用题1. 某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，汽包圆筒的平均直径为816 mm ，壁厚为16 mm ，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力σσθ和m。

【解】 P= D=816mm S=16mm1.00196.081616<==D S 属薄壁容器 MPa S PD m 875.311648165.24=⨯⨯==σ MPa S PD m 75.631628165.22=⨯⨯==σ2. 有一平均直径为10020 mm 的球形容器，其工作压力为，厚度为20 mm ，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。

化工设备机械基础试题库一、填空力学基础部分1．在外力的作用下,杆件可产生变形的基本形式为轴向拉、压、剪切、扭转、弯曲。

2．就所受外力而言,受剪切直杆与受弯的梁二者之间的区别是受剪横向外力作用线相距很近、受弯横向外力作用线相距很远。

3．从工程意义上讲,材料的破坏可分为二类,一类是脆性断裂破坏,应采用第一或二强度理论解释其破坏原因；另一类是屈服流动破坏,应采用第三或四强度理论解释其破坏原因。

4．碳钢和铸铁都是铁塑性材料；而铸铁是典型的脆性材料。

和碳组成的合金,但是它们却有非常明显的性能差别,低碳钢是典型的5．碳钢和铸铁都是铁和碳组成的合金。

一般来说,对钢材性能有害的元素是硫和磷,其有害作用主要表现在硫使钢材发生热脆,磷使钢材发生冷脆。

6．碳钢和铸铁中的主要化学元素除铁外还有碳 2.11% 时为碳钢；如果组成的合金中碳含量大于2.11% 时为铸铁。

,如果组成的合金中碳含量小于7．就钢材的含碳量而言,制造压力容器用钢与制造机器零件用钢的主要区别是制造容器用低碳钢,而制造机器零件用中碳钢。

其主要原因是低碳钢有良好的塑性与焊接性能,中碳钢可以通过调质提高其综合机械性能。

8．从应力角度看,等壁厚、内径和内压均相同的球形容器比圆筒形容器具有优越性,二者经向应力相同,而周向（环向）2倍。

应力不同,圆筒形容器是球形容器9．受气体内压的锥形壳体,壳体上的薄膜应力随距锥顶经向距离的增大而增大,锥顶处应力为零,最大应力位于锥底处。

10．标准椭圆形封头的长、短半轴之比等于2,这种封头的最大拉应力位于椭圆壳体的顶点处,最大压应力位于壳体的赤道。

11．标准椭圆形封头最大拉应力位于椭圆壳体的顶点处,位于壳体的赤道出现经向的最大压应力,其绝对值与最大拉应力值相等。

12．边缘应力的两个基本特征是局部性,自限性。

13．圆锥壳与圆柱壳的连接点A处圆锥壳的第一主曲率半径为_______,第二主曲率半径为________。

锥顶处B点的第一主曲率半径为__________,第二主曲率半径为_________。

第一章化工设备材料及其选择二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量Ａ组B组：第二章容器设计的基本知识一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围第三章 内压薄壁容器的应力分析和MP S m 63844=⨯==σSPRR m =+21σσθ MP SPD634==σθ2.圆锥壳上之A 点和B 点，已知：p=，D=1010mm ，S=10mm ，a=30o 。

αcos 2,:21DA R R =∞=点MP S PD m 58.14866.010410105.0cos 4=⨯⨯⨯==ασ SPRR m =+21σσθ MP S PD 16.29866.010210105.0cos 2=⨯⨯⨯==ασθ0,:21=∞=R R B 点0==σσθm3. 椭球壳上之A ，B ，C 点，已知：p=1Mpa ，a=1010mm ，b=505mm ，S=20mm 。

B 点处坐标x=600mm 。

25051010==b a 标准椭圆形封头bb b y x A a R a R 2221,:),0====点（MP S Pa m 5.502010101=⨯===θσσMPa sbPB b a x am 3.43)(2 2224=--=σ点：MPa b a x a a sbP ba x a 7.27)(2)(2 222442224=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----=θσ:)0,(==y a x C 点MPa S Pa m 25.25202101012=⨯⨯==σ MPa S Pa 5.502010101-=⨯-=-=σθ五、 工程应用题 1.某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，汽包圆筒的平均直径为816 mm ，壁厚为16 mm ，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力σσθ和m。

【解】 P= D=816mm S=16mm1.00196.081616<==D S 属薄壁容器 MPa S PD m 875.311648165.24=⨯⨯==σ MPa S PD m 75.631628165.22=⨯⨯==σ2.有一平均直径为10020 mm 的球形容器，其工作压力为，厚度为20 mm ，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。

《化工设备机械基础》习题解答二、填空题1、钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径是指它们的（ ）径。

2、无缝钢管做筒体时，其公称直径是指它们的（ 外）径。

第三章 压薄壁容器的应力分析一、名词解释A 组：⒈薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的径之比小于0.1的容器。

⒉回转壳体：壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面的固定轴线旋转360°而成的壳体。

⒊经线：若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。

⒋薄膜理论：薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的一种两向应力状态，也称为无力矩理论。

⒌第一曲率半径：中间面上任一点M 处经线的曲率半径。

⒍小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。

⒎区域平衡方程式：计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。

⒏边缘应力：压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。

⒐边缘应力的自限性：当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时，弹性约束开始缓解，原来不同的薄膜变形便趋于协调，边缘应力就自动限制。

二、判断题（对者画√，错着画╳）A 组：1. 下列直立薄壁容器，受均匀气体压力作用，哪些能用薄膜理论求解壁应力？哪些不能？（1） 横截面为正六角形的柱壳。

（×）（2） 横截面为圆的轴对称柱壳。

（√）（3） 横截面为椭圆的柱壳。

（×）（4） 横截面为圆的椭球壳。

（√）（5） 横截面为半圆的柱壳。

（×）（6） 横截面为圆的锥形壳。

（√）2. 在承受压的圆筒形容器上开椭圆孔，应使椭圆的长轴与筒体轴线平行。

（×）3. 薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径R R 21=，则该点的两向应力σσθ=m。

（√）4. 因为压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比，当材质与介质压力一定时，则壁厚大的容器，壁的应力总是小于壁厚小的容器。

（×）5. 按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。

（√）B 组：1. 卧式圆筒形容器，其介质压力，只充满液体，因为圆筒液体静载荷不是沿轴线对称分布的，所以不能用薄膜理论应力公式求解。

《化工设备机械基础》习题解答二、填空题1、钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径是指它们的（内）径。

2、无缝钢管做筒体时，其公称直径是指它们的（外）径。

3、查手册找出下列无封钢管的公称直径DN是多少毫米4、压力容器法兰标准中公称压力PN有哪些等级5、管法兰标准中公称压力PN有哪些等级第三章内压薄壁容器的应力分析一、名词解释A组：⒈薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于的容器。

⒉回转壳体：壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转360°而成的壳体。

⒊经线：若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。

⒋薄膜理论：薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的一种两向应力状态，也称为无力矩理论。

⒌第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径。

⒍小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。

⒎区域平衡方程式：计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。

⒏边缘应力：内压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。

⒐边缘应力的自限性：当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时，弹性约束开始缓解，原来不同的薄膜变形便趋于协调，边缘应力就自动限制。

二、判断题（对者画√，错着画╳）A组：1. 下列直立薄壁容器，受均匀气体内压力作用，哪些能用薄膜理论求解壁内应力哪些不能（1） 横截面为正六角形的柱壳。

（×）（2） 横截面为圆的轴对称柱壳。

（√）（3） 横截面为椭圆的柱壳。

（×）（4） 横截面为圆的椭球壳。

（√）（5） 横截面为半圆的柱壳。

（×）（6） 横截面为圆的锥形壳。

（√）2. 在承受内压的圆筒形容器上开椭圆孔，应使椭圆的长轴与筒体轴线平行。

（×）3. 薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径R R 21=，则该点的两向应力σσθ=m 。

（√）4. 因为内压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比，当材质与介质压力一定时，则壁厚大的容器，壁内的应力总是小于壁厚小的容器。

课后题《化⼯设备机械基础》习题解答《化⼯设备机械基础》习题解答第⼀章化⼯设备材料及其选择⼀. 名词解释A 组：2-7 图(a)所⽰⽀架ABC 由均质等长杆AB 和BC 组成，杆重为G 。

试求A 、B 、C 处的约束⼒。

解：（1）根据题意，画出整个⽀架ABC 的受⼒图和⽀架AB 的受⼒图，如图（b ）和图（c ）所⽰。

（a ）（b ）（c ）题2-7图（2）设两均质杆的长度为l ，取整个⽀架ABC 作为研究对象，则有：∑=0xF ，0=-CX AX N N （1）由⽅程（1）解得 CX AX N N =∑=0yF，02=+-CY AY N G N （2）∑=0AM，0)45cos 45cos ()45cos 245cos (45cos 2=+?++?-?- l l N ll G l G CY （3）由⽅程（3）解得 G N CY = 代⼊⽅程（2）得 G N AY = （3）取AB 杆为研究对象：∑=0BM ， 045sin 45cos 45cos 2=+- l N l N lG AX AY 02=+-l N Gl lG AX22G l lGGl N AX =-=∑=0xF， 0=-BX AX N N2G N N BX AX == ∑=0yF， 0=--BY AY N G N0=BY N1.蠕变：在⾼温时，在⼀定的应⼒下，应变随时间⽽增加的现象。

或者⾦属在⾼温和应⼒的作⽤下逐渐产⽣塑性变形的现象。

2.延伸率：试件受拉⼒拉断后，总伸长的长度与原始长度之⽐的百分率。

3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应⼒和应变成正⽐，即σ=E ε,⽐例系数E 为弹性模数。

4.硬度：⾦属材料表⾯上不⼤的体积内抵抗其他更硬物体压⼊表⾯发⽣变形或破裂的能⼒。

5.冲击功与冲击韧性：冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。

冲击韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的⼀种及时和迅速塑性变形的能⼒。

6.泊桑⽐（µ）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之⽐。

《化工设备机械基础》课程教学大纲制定人：吴淑晶教学团队审核人：门勇开课学院审核人：饶品华课程名称：化工设备机械基础/ Fundamental Chemical Process Equipment课程代码：040320适用层次（本/专科）：本科学时：32 学分：2 讲课学时：30 上机/实验等学时：2 考核方式：考查先修课程：高等数学、机械制图适用专业：化学工程与工艺、制药工程教材：喻健良，王立业，刁玉玮．化工设备机械基础（第七版），“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，大连：大连理工大学出版社，2013．主要参考书：1.董大勤．化工设备机械基础．北京：化学工业出版社，2003.2.喻健良．化工设备机械基础．大连：大连理工大学出版社，2009.3.潘永亮．化工设备机械基础．北京：科学出版社，2007.4.全国压力容器标准化技术委员会．GB150-1998《钢制压力容器》．北京：学苑出版社，1998.5.全国压力容器标准化技术委员会．GB151-1999《管壳式换热器》．北京：学苑出版社，1999.一、本课程在课程体系中的定位培养学生化工设备设计的初步能力。

二、教学目标1.培养学生的工程意识。

2.培养学生分析问题和解决问题的能力。

3.培养学生化工设备设计的初步能力。

三、教学效果通过本课程的学习，学生可具备：1.掌握化工设备常用材料及选材原则。

2.了解化工容器规范设计的基本知识。

3.了解压力容器使用和管理等方面的基本知识。

4.了解理论知识与工程实际的联系，培养学生的工程意识。

5.分析问题和解决问题的能力。

6.化工设备设计的初步能力。

四、教学内容与教学效果对照表五、教学内容和基本要求第1篇化工设备材料第1章化工设备材料及其选择教学内容：概述；材料的性能；金属材料的分类及牌号；碳钢与铸铁；低合金钢及化工设备用特种钢；化工设备的腐蚀及防腐措施；化工设备材料的选择。

教学要求：了解化工设备选材的重要性和复杂性；掌握材料的力学性能指标；掌握金属材料分类及牌号；掌握碳钢、低合金钢、特殊性能钢的种类；了解化工设备选材的原则；熟练运用化工设备选材原则解决选择材料问题。

《化工设备机械基础》习题解答第五章 外压圆筒与封头的设计二、判断是非题（对者画√， 错者画X ）1． 假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造的精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生弹性失稳。

（ X ）2． 18MnMoNbR 钢板的屈服点比Q235-AR 钢板的屈服点高108%，因此，用18MnMoNbR 钢板制造的外压容器，要比用Q235-AR 钢板制造的同一设计条件下的外压容器节省许多钢材。

（ X ）3． 设计某一钢制外压短圆筒时，发现采用20g 钢板算得的临界压力比设计要求低10%，后改用屈服点比20g 高35%的16MnR 钢板，即可满足设计要求。

（ X ）4． 几何形状和尺寸完全相同的三个不同材料制造的外压圆筒，其临界失稳压力大小依次为：P cr 不锈钢 > P cr 铝 > P cr 铜。

（ X ）5． 外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的总重量就愈轻。

（ X ）三、填空题a) 受外压的长圆筒，侧向失稳时波形数n=（2）；短圆筒侧向失稳时波形数为n>（2）的整数。

b) 直径与壁厚分别为D ，S 的薄壁圆筒壳，承受均匀侧向外压p 作用时，其环向应力σθ=（PD/2S ），经向应力σm （PD/4S ），它们均是（压）应力，且与圆筒的长度L （无）关。

c) 外压容器的焊接接头系数均取为Φ=（1）；设计外压圆筒现行的稳定安全系数为m=（3）。

d) 外压圆筒的加强圈，其作用是将（长）圆筒转化成为（短）圆筒，以提高临界失稳压力，减薄筒体壁厚。

加强圈的惯性矩应计及（加强圈）和（加强圈和圆筒有效段组合截面）。

e) 外压圆筒上设置加强圈后，对靠近加强圈的两侧部分长度的筒体也起到加强作用，该部分长度的范围为（加强圈中心线两侧各为0.55e S D 0的壳体）。

四、工程应用题A 组：1、图5-21中A ，B ，C 点表示三个受外压的钢制圆筒，材质为碳素钢，σs =216MPa ，E=206GPa 。