过程设备设计-旋转薄壳理论
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《过程设备设计》教学大纲二、课程的目的与任务先进制造技术主要指硬件产品的先进制造技术和流程型材料产品的先进制造技术。
过程工业是加工制造流程型材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。
成套过程设施装置则是组成过程工业的工作母机群,它通常是由一系列的过程及其和过程设备有关的,按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统,再配以必要的控制仪表和设备,即能平稳连续地把以流体为主的各种流程型材料,让其在装置内部经历必要的物理化学过程,制造出人们需要的新的流程型材料产品。
《过程设备设计》课程的开设为在新世纪培养大批优秀的能够掌握流程型材料产品制造的先进装备设施技术的高级专业人才。
三、本课程与其它课程的联系过程设备设计是根据产品在全寿命周期内的功能和市场竞争(性能、质量、成本等)要求,综合考虑环境要求和资源利用率,运用化工工艺、机械原理、控制理论、力学基础、材料科学,以及美学、经济学等知识,经过设计师的创造性劳动,制定可用于制造的技术文件。
四、教学内容、重点、教学进度、学时分配(一)压力容器导言(4学时)1、主要内容压力容器总体结构;压力容器分类;压力容器规范标准。
2、重点压力容器的分类及规范标准。
3、教学要求在介绍压力容器总体结构的基础上,结合介质的危害程度、操作条件及容器在生产中的作用。
较为全面的阐述压力容器分类方法,简要介绍美国、日本及欧盟等国的压力容器规范标准,最后着重介绍中国压力容器的主要规范标准。
(二)压力容器材料及环境和时间对其性能的影响(4学时)1、主要内容压力容器材料;压力容器制造工艺对钢材性能的影响;环境对压力容器用钢性能的影响;压力容器材料选择。
2、重点压力容器材料及选择。
3、教学要求了解决定压力容器安全性的内在因素是材料的状态和性能,外在因素是载荷、时间和环境条件。
设计压力容器应对材料的冶炼与轧制、供货状态、采购订货、检验验收、使用历史、加工性能、力学性能及其测试方法、与介质的相容性、使用过程中性能的劣化等有全面的了解,合理选择零部件材料,确保压力容器在整个使用寿命内安全可靠地运行。
1.回转壳体:一平面曲线绕同一平面的轴旋转一周形成的壳体为回转壳体。
2.无力矩理论:因为容器的壁薄,所以可以不考虑弯矩的影响,近似的求得薄壳的应力,这种计算应力的理论为无力矩理论。
3.不连续效应(应力):由于总体结构不连续,组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象,称为“不连续效应”或“边缘效应”。
由此引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘应力”。
4.边缘应力:由于容器的结构不连续等因素造成其变形不协调而产生的附加应力5.热应力:因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束,在弹性体内所引起的应力6.主应力:在单元体的三对相互垂直的平面上只作用有正应力而无剪应力,这样的平面为主平面。
在主平面上作用的正应力为主应力。
7.自增强:通过超工作压力处理,由筒壁自身外层材料的弹性收缩引起残余应力。
8.临界压力:壳体失稳时所承受的相应压力,是容器抗失稳能力的反映。
用Pcr表示。
9.公称压力:将压力容器所受到的压力分成若干个等级,这个规定的标准等级就是公称压力。
10.计算压力:在相应设计温度下,用以确定容器壁厚的压力为计算压力。
11.设计压力:设定在容器顶部的最高压力,与相应的设计温度一起作为设计载荷,其值不低于工作压力。
12.临界长度:对于给定D和t的圆筒有一定特征长度作为区分长短圆筒的界限13.长圆筒:L/Do和Do/t较大时,其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用,壳体刚性较差,失稳时呈现两个波纹,n=2。
14.短圆筒:L/Do和Do/t较小时,壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显,壳体刚性较大,失稳时呈现两个以上波纹,n>2。
15.刚性圆筒:L/Do和Do/t很小时,壳体的刚性很大,此时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳,而是压缩强度破坏。
16.蠕变:金属在长时间的高温,恒载荷作用下缓慢的产生塑性变形的现象17.压力容器失效:压力容器在规定的使用环境和时间内,因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求(包括功能和寿命等)的现象。
名词解释:1.机械密封/端面密封:是把转轴的密封面从轴向改为径向,通过动环和静环两个端面的相互贴合,并做相对运动达到密封的装置。
2.临界压力:壳体失稳时所能承受的相应外压力,称为临界压力,用P cr表示。
3.自紧密封:依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封的形式。
4.等面积补强:壳体因开孔削弱的承载面积,须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。
5.应力集中系数:受内压壳体与接管连接处最大应力与壳体不开孔时环向薄膜应力之比,用K t表示。
6.自增强:通过超工作压力处理,由筒体自身外层材料的弹性收缩引起的残余应力,使工作时应力分布趋于均匀,提高屈服承载能力的措施。
7.焊接接头系数:焊缝金属与母材强度的比值,反映容器强度的受消弱程度。
8.一次应力:求得的薄膜应力与相应的载荷同时存在,平衡外加载荷引起的应力,随外载荷的增大而增大。
9.二次应力:在两壳体连接边缘处切开后,自由边界上受到的边缘力和边缘力矩作用时的有力矩理论的解,求得的应力称二次应力。
10.预紧密封比压:预紧时,迫使垫片变形与压紧面密合,以形成初始密封条件,单位面积上所需的最小压紧力。
称为预紧密封比压。
11.第一曲率半径:回转壳体经线上某一点的曲率半径,称为第一曲率半径。
第二曲率半径:壳体中面上所考察的任意一点到该点法线与回转轴交点之间的长度。
12.分析设计:对容器在不同部位、由不同载荷引起的、对容器失效形式有不同影响的应力加以不同的限制的设计方法,称做分析设计方法。
13.设计压力:是指设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷条件,其值不得低于工作压力。
14.工作压力:指容器在正常工作过程中顶部可能产生的最高压力。
15.计算压力:是指在相应设计温度下,用以确定元件最危险截面厚度的压力,其中包括液柱静压力。
16.临界转速:当搅拌轴的转速达到轴自振频率时会发生强烈震动,并出现很大弯曲。
17.无力矩理论:当薄壳的抗弯刚度非常小,或者中面的曲率、扭转改变非常小时,弯曲内力很小。
《过程设备设计基础》教案2—压力容器应力分析课程名称:过程设备设计基础专业:过程装备与控制工程任课教师:第2章 压力容器应力分析§2-1 回转薄壳应力分析一、回转薄壳的概念薄壳:(t/R )≤0.1 R----中间面曲率半径 薄壁圆筒:(D 0/D i )max ≤1.1~1.2 二、薄壁圆筒的应力图2-1、图2-2 材料力学的“截面法”三、回转薄壳的无力矩理论1、回转薄壳的几何要素(1)回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度 * 对于薄壳,可用中间面表示壳体的几何特性。
tpD td pR tpD Dt D p i 22sin 24422====⨯⎰θπθϕϕσσαασπσπ(2)母线、经线、法线、纬线、平行圆(3)第一曲率半径R1、第二曲率半径R2、平行圆半径r(4)周向坐标和经向坐标2、无力矩理论和有力矩理论(1)轴对称问题轴对称几何形状----回转壳体载荷----气压或液压应力和变形----对称于回转轴(2)无力矩理论和有力矩理论a、外力(载荷)----主要指沿壳体表面连续分布的、垂直于壳体表面的压力,如气压、液压等。
P Z= P Z(φ)b、内力薄膜内力----Nφ、Nθ(沿壳体厚度均匀分布)弯曲内力---- Qφ、Mφ、Mθ(沿壳体厚度非均匀分布)c、无力矩理论和有力矩理论有力矩理论(弯曲理论)----考虑上述全部内力无力矩理论(薄膜理论)----略去弯曲内力,只考虑薄膜内力●在壳体很薄,形状和载荷连续的情况下,弯曲应力和薄膜应力相比很小,可以忽略,即可采用无力矩理论。
●无力矩理论是一种近似理论,采用无力矩理论可是壳地应力分析大为简化,薄壁容器的应力分析和计算均以无力矩理论为基础。
在无力矩状态下,应力沿厚度均匀分布,壳体材料强度可以得到合理的利用,是最理想的应力状态。
(3)无力矩理论的基本方程a、无力矩理论的基本假设小位移假设----壳体受载后,壳体中各点的位移远小于壁厚。
考虑变形后的平衡状态时壳用变形前的尺寸代替变形后的尺寸直法线假设----变形前垂直于中面的直线变形后仍为直线,且垂直于变形后的中面。
第四章 旋转薄壳理论1.中面上任一点B 处经线的曲率半径为该点的“第一曲率半径” 1r 。
通过经线上一点B 的发现作垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线,此曲线在B 点处的曲率半径称为该店的第二曲率半径 2r ,第二曲率半径的中心2K 落在回转轴上。
2.对求解承受轴对称载荷的旋转薄壳一般有两种理论。
(1)无力矩理论,也称薄膜理论:它假设与直径相比很小,薄壳像薄膜一样只能承受拉应力和压应力,完全不能承受弯矩和弯曲应力。
即在薄壳的内力素中忽略弯矩,这种按无力矩理论所得到的应力称为薄膜应力。
(2)有力矩理论,也称弯曲理论:认为壳体虽然很薄,但仍有一定的厚度,有一定的刚度,因而壳体中除拉应力和压应力外,还存在弯矩和弯曲应力。
3.区域平衡方程:12sin 2(sin cos )2z N rr p p d C ϕϕπϕπϕϕϕπ=--+⎰。
等式左边为作用在相当于ϕ角的纬线圆上的全部沿旋转轴方向的内力合力。
等式右边第一项为作用在壳体ϕ角以上的全部外载荷沿旋转轴方向的分量;第二项是集中载荷沿旋转轴方向的分量。
4.无力矩理论的适用范围除满足轴对称薄壁条件外,还需满足:(1)壳体的厚度无突变,曲率半径是连续变化的。
(2)壳体上不能有集中载荷或突变的分布载荷。
(3)壳体边界不受法向力和力矩的作用。
(4)壳体边界上的法向位移和转角不受限制。
5.以筒体与平板封头连接为例,若平板盖具有足够的刚度,在受内压作用时沿径向变形很小,而壳壁较薄,变形量较大,两者连接在一起,在连接处附近筒体的变形收到平板盖地约束,因此就会产生附加的弯曲变形。
由于这种局部弯曲变形,筒壁内必然存在弯矩。
因为薄壁容器抗弯能力弱,因而在某些局部地区将产生较大的弯曲应力,这种应力有时要比较由于内压而产生的薄膜应力大得多。
由于这种现象只发生在连接边缘,因此称为边缘效应或边缘问题。
旋转薄壳的边缘问题主要是分析连接边缘区的应力和变形。
6.平板封头与圆筒壳连接时的应力集中系数低得多,这说明边缘效应主要决定于连接边缘的性质。