安全气囊压力发生器结构设计——毕业设计说明书.doc

中北大学2012届毕业设计说明书安全气囊压力发生器结构设计目录第一章 绪论11.1 问题的提出及研究的目的和意义11.2 汽车安全气囊及其性能测试国内外发展状况11.3 汽车安全气囊系统结构原理21.4 测试装置及原理41.5 本论文所要进行的工作5第二章 安全气囊气体发生器压力容器结构设计52.1 压力容器的分类462.2 压力容器的结构72.3 压力容器设计准则82.4 压力容器壳体形状选择17第三章 压力容器基本参数设计173.1 压力容器壳体材料的选择173.2 筒体设计参数的确定203.3 压力容器封头设计233.4 封头与圆筒的连接设计293.5 压力容器底部设计303.6 密封圈的选择31第四章 压力容器与测试装置接口设计31第五章 开孔补强设计315.1 开孔的形状325.2 开孔后的补强325.3 等截面积补强法33总结36参考文献37致谢39第 40 页 共 39 页中北大学2012届毕业设计说明书第一章 绪论1.1 问题的提出及研究的目的和意义随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度越来越快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤，使得事故更为频繁，所以汽车的安全性显得特别重要。安全气囊作为一种安全配置，以其较高的安全性已经逐渐在各类轿车上普及,并迅速发展成为一个全新的高科技产业。因此,安全气囊的研究与发展对中国的汽车工业的现代化具有十分重要的意义，尤其是中国加入 wto 之后，这种意义将更加深刻。目前，我国安全气囊的研究与发展已初具基础和规模，但是离世界先进水平还相差甚远，这些差距主要包括安全气囊法规、撞车实验系统、安全气囊的设计、制造和测试等方面。在测试方面、传感器、气体发生器和气囊技术规范及检测还未达到一个令人满意的状态。据资料表明，国内还没有一套完整的安全气囊性能测试系统，我国生产的安全气囊一般要到国外进行测试。这样提高的费用，削弱了我国的安全气囊在市场上的竞争力。随着我国汽车工业的迅速发展，国内一些大公司准备建立大规模安全气囊生产线。所以，设计一套安全气囊性能测试系统，对我国汽车工业具有重要意义1。1.2 汽车安全气囊及其性能测试国内外发展状况汽车安全气囊的初步想法产生于美国。1952 年 ,美国汽车生产者联合会在理论上阐述了这样一种汽车安全系统的必要性,1953 年8 月18日,j.w.hetrick取得了第一个美国安全气囊的专利权,但是,当时由于技术水平的限制,还不能把这种想法或专利付诸实现, 直至 1984 年，汽车碰撞安全标准（fmvss208）在美国经多次被废除后又重新被认可并开始实施，其中规定从 1995 年 9 月 1 日以后制造的轿车前排座前均应装备安全气囊，同时还要求 1998 年以后的轿车都装备驾驶者和乘客用的安全气囊，自此才确认了安全气囊的作用。 目前，世界上很多国家都有要求在新车上必须安装气囊。例如在美国，相应的法规已从1989年起实施该法规要求一定要安装大尺寸的气囊。而欧洲的专家们则认为最好的方案应该是：安全带和小尺寸气囊的配合使用。所以，欧洲的公司只生产小尺寸气囊。现在，在汽车上，一个气囊安装在驾驶盘上，一个安装在驾驶员旁前排乘员的前面。侧面气囊或者装在车门上，或者装在座椅靠背上，气囊用尼龙制成，材料厚度为0.45mm。为了保证气囊的气密性，在其内表面涂复薄薄一层合成橡胶或硅橡胶。在气囊的内表面固定有专门的带子，这些带子在气囊充气时能使其保持一定形状。气囊侧面设有许多孔，这些孔用来快速从气囊中排出气体。这点十分重要的，否则，人就会被气囊推向后面或被一个气囊或几个气囊挤住而受伤。为避免气囊因长期叠置而成硬块，在气囊内部覆盖一层特殊的材料，它可使气囊的有效使用期达到15年。在 20 世纪 80 年代末，我国一批从事汽车碰撞安全和军工研究的专家与学者开始关注汽车安全气囊的研究与发展 。1992年9月，我国自行设计与研制的fs-01型安全气囊，通过了撞车实验与设计定型。在“九五” 规划和“十五”规划中，国家经贸委和汽车行业将安全气囊列为我国汽车零配件三个重大发明之一（电子喷油系统、防抱死制动系统和安全气囊系统）。在十多年的研究与发展过程中，国内许多大学与公司的安全气囊的研究与产品已初具基础，其中部分研究与技术已接近国际水平2。例如清华大学的黄世霖等人在汽车碰撞实验中，系统的研究了多种国产汽车中安全气囊的匹配技术，对汽车安全气囊的点火控制模拟、汽车碰撞的过程模拟和实验验证以及有关软件在汽车安全气囊系统设计中的应用方面作了大量工作。还有南京理工大学在传感器、气体发生器和气囊设计方面具有雄厚的基础，他们的机电一体式传感器、叠氮化钠气体发生器、分步式气囊的研究与产品曾受国外著名公司邀请在德国做过数次评估，得到极大关注。但是，国内对安全气囊性能测试系统方面的研究比较少3，尚没有一套完整的测试系统。目前国内仅航天系统某所对汽车安全气囊性能能够进行简单测试，且采用弹簧式，受到多种条件限制，稳定性不是很好。 自由落体式测试装置系统在国内尚属空白 。我国生产的安全气囊性能大部分要到国外测试，例如，锦恒汽车安全系统公司生产的sr40 安全气囊在国内无法测试需要到国外进行匹配装置实验。随着我国汽车工业的发展，安全气囊及测试系统研究方面有所创新并拥有自己的关键技术的知识产权才是安全气囊发展的立足之本。国外对汽车安全气囊性能测试装置设计主要为弹簧式、自由落体式等。1.3 汽车安全气囊系统结构原理现代安全气囊系统由碰撞传感器、缓冲气囊、气体发生器及控制块（电脑）等组成。1.传感器：碰撞传感器、电子式传感器、机电式传感器。碰撞传感器。安全气囊系统中的重要部件，其功能是检测、判断汽车发生碰撞后的撞击信号，以便决定是否展开缓冲气囊。碰撞传感器主要有三种类机械式传感器在早期的安全气囊中使用较多，主要应用惯性原理，利用传感器中元件的惯性力克服弹簧力来触发气体发生器。机械式在加速度较低时保证不启动气囊，可靠性较高；但只能单点传感，对机械部件的品质、精度和耐磨性要求极高。 电子式传感器是一种应用最早的碰撞传感器，根据电子原理，利用电信号来反映车身减速度，而后根据电信号来判别是否展开缓冲气囊。机电式传感器采用机电结合的方式，将机械信号转化为电子信号，再利用电子信号点爆安全气囊。即具有机械式的优点，又能克服机械式传感器本身存在的缺陷，安装在车身上任何位置，以便得到较好的减速信号，而且能够在同一位置安装多个传感器。 2.缓冲气囊。气囊一般由防裂性能好的聚酞胺织物制成，它是一种半硬的泡沫塑料，能承受较大的压力；经过硫化处理，可减少气囊冲气膨胀时的惯性力；为使气体密封，气囊里面涂有涂层材料。气囊的大小、形状、漏气性能是确定安全气囊保护效果的重要因素，必须根据不同汽车的实际情况来确定。3.气体发生器。安全气囊系统要求气体发生器能够在较短的时间内（30 ms左右）产生大量的气体充满气囊，产生的气体必须对人体无害，且不能温度太高，同时要求气体发生器有很高的可靠性和稳定性。气体发生器主要有：压缩气体式、烟火式和混合式三种型式。混合式气体发生器是压缩气体式和烟火式相结合的发生器，也是目前广泛应用一种气体发生器。 4.控制装置。一般集成在微计算机中。当汽车发生碰撞事故时，电控装置接收多个传感器传来的车身不同位置的减速信号，经过反复不断的分析、比较、计算，决定是否发出点火信号。要求控制装置能够在复杂的碰撞情况下作出非常准确的判断，点火时刻也必须精确控制。 虽然安全气囊在结构上会有所不同，但其工作原理基本一致。汽车行驶过程中，传感器系统不断向控制装置发送速度变化（或加速度）信息，由控制装置（中央控制器）对这些信息加以分析判断，如果所测的加速度、速度变化量或其它指标超过预定值（即真正发生了碰撞），则控制装置向气体发体发生器发出点火命令或传感器直接控制点火，点火后发生爆炸反应，产生n2或将储气罐中压缩氢气释放出来充满碰撞气袋。乘员与气袋接触时，通过气袋上排气孔的阻尼吸收碰撞能量，达到保护乘员的目的。 安全气囊根据安装的位置及保护对象不同，主要分为：对驾驶员进行保护的气囊，装在方向盘内，防止驾驶员与转向盘、仪表板及前挡风玻璃发生碰撞；对前排乘员进行保护的气囊，装在仪表板内，防止乘员与仪表板、前挡风玻璃发生碰撞；对后排乘员进行保护的气囊，一般安装在前排座椅的靠背上后部或头枕内部，防止乘员与前排座椅发生碰撞。由于后排乘员受到的伤害程度较轻，后座椅安全气囊一般只在高级轿车上使用。安全气囊对人体保护工作原理如图1。图1 安全气囊工作基本原理1.4 测试装置及原理气体发生器的产气性能好坏是通过进行密闭充气筒内的压力测试来检测的, 通过对压力的检测可以对气体发生剂的燃烧速度和气体生成量进行判定。对压力的测试实验是在常温和低温情形下进行, 以便保证气体发生器在严冬和盛夏均可以产生适量的气体而正常工作。实验系统中使用的气体发生器为机械式气体发生器, 其设计和制造是一个比较复杂的过程。它主要由外壳、雷管( 或火帽)、增压剂( 或导爆药柱) 、气体发生剂以及过滤器等部分组成19 。气体发生器中的气体发生剂是一种火药, 其单位时间产气量是由气体发生剂的线性燃速和燃烧面积决定的, 气体发生器单位时间的气体流出量是由喷嘴面积的大小和燃烧室中的压力决定的2021。该套模拟整车撞击的系统主要由台架系统、密闭充气筒及其电磁控制机构、传感器、数据采集与处理系统组成。台架系统由底座、导轨、充气筒提升架3 个部分组成, 充气筒的提升、释放及高度控制通过有关的电磁控制机构来实现。利用充气筒从一定高度沿导轨下落后与台架底座上的弹性缓冲垫发生碰撞来实现汽车碰撞过程的模拟, 而充气筒从一定高度下落时产生的具有一定强度90 10 g 和持续时间为10 5ms 的冲击信号时将触发引爆装在充气筒内的气体发生器, 利用安装在充气筒内的压力传感器就可以对气体发生器产气后的整个压力变化过程进行实验研究。装置组成如图 2所示。1底座 2导轨 3充气筒提升架 4电磁机构 5压力传感器 6充气筒7药盒内传感器 8产气药盒 9加速度传感器 10碰撞触头 11弹性缓冲垫图 2 实验装置示意图测试原理简述如下:电磁控制机构将充气筒提升至一定的高度并释放,充气筒沿导轨落下,其上的触头10与弹性缓冲垫11发生碰撞,碰撞产生的冲击力的大小由加速度传感器进行记录,当碰撞加速度满足一定的峰值90 10 g及持续时间105ms的阈值要求时,该碰撞过程就会引爆装在筒内的气体发生器,气体发生器将被点火信号引燃并迅速产气。气体发生器引爆后瞬间在密闭筒内产生大量高温高压气体,通过安装在筒内的压力传感器5对充气筒内压力变化过程进行记录,通过安装在药盒内的压力传感器7对药盒内压力变化过程进行记录,记录下的信号通过信号适配器转换并经过数据处理后,充气筒内以及药盒内压强随时间变化的p - t曲线将被记录下来,通过p - t曲线可以得到从撞击开始到压强达到最大值的时间、压强上升速率等有关参数值,从而对气体发生器的产气性能及质量进行研究。数据处理方面,本系统具备各参数同时显示、及时分析、随时打印、自动存盘等优点22。1.5 本论文所要进行的工作安全气囊压力发生器结构设计，筒体设计基本参数设计、端盖基本参数设计、压力容器与测试装置接口设计等。第二章 安全气囊气体发生器压力容器结构设计2.1 压力容器的分类4（1） 按容器的作用原理分换热容器、反应容器、分离容器、贮运容器。（2） 按容器承受的介质压力来分a.常压容器对于圆筒形容器，-0.02mpap0.1mpa。b.受压容器 外压容器 容器外部压力大于内部压力。 内压容器 低压容器（代号l）：0.1mpap1.61mpa；中压容器（代号m）：1.61mpap101mpa；高压容器（代号h）：101mpap1.2）。（4） 压力容器的综合分类国家劳动部门为了便于安全技术管理和监督检查，根据容器承受压力的高低，压力与容积乘积大小、介质的危害程度，及容器在生产过程中的作用的综合分类方法。压力容器安全技术监察规程将容器分为三类：一类容器：低压容器（二、三类容器中的低压容器除外）。二类容器：属下列情况之一者为二类容器。 中压容器（三类容器中的中压容器除外）； 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； 易燃或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和贮存容器； 搪玻璃压力容器； 低压管壳式余热锅炉。三类容器：属下列情况之一者为三类容器。 高压容器； 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器和pv0.2mpam3的低压容器； 易燃或毒性程度为中度危害介质且pv0.5mpam3的中压反应容器和pv10mpam3的中压储存容器； 高压、中压管壳式余热锅炉。2.2 压力容器的结构压力容器的结构形式是多种多样的，它是根据容器的作用、工艺要求、加工设备和制造方法等因素确定的。如下图所示分别是常见的圆筒形容器和球形容器。图3 圆筒形容器1-主螺栓 2-主螺母 3-端盖 4-筒体端部 5-内筒 6-层板层 7-环焊缝8-纵焊缝9-管法兰 10-接管 11-球形封头 12-管道螺栓 13-管道螺母 14-平封头图4 球形容器1-支柱 2-中部平台 3-顶部操作平台 4-北极板5-北温带6-赤道带 7-南温带 8-南极板 9-拉杆从圆筒形容器图可知，容器的结构是由压力容器的壳体、密封元件和支座等主要部件组成的。此外，作为一种生产工艺设备，有些压力容器，如用于化学反应、传热、分离等工艺过程的压力容器，其壳体内部还装有工艺所要求的内件。对此，本毕业设计不作专门介绍，而只介绍压力容器的其他部件。2.3 压力容器设计准则（1） 应力分类asme2规范要求进行精确的弹性应力分析，把应力分析报告作为设计的基本依据，所以，把这种设计方法称为“分析设计”，而把传统规范进行的设计称为“规则设计”或“常规设计”。分析设计认为：有弹性计算求得的各类应力对结构破坏所起的作用是不同的，因而，他们的重要性即导致结构破坏的危险性也不同。通过应力强度评价，给出设计依据，必要时，还要进行疲劳分析。按性质不同，应力分为两大类：一次应力、二次应力；按影响范围的大小分为三类：总体应力、局部应力、峰值应力；按分布规律不同，应力又可分为：沿断面均匀分布的均布应力，如薄膜应力，沿断面线性分布的线性应力，如弯曲应力，沿断面非线性分布的应力。以上各种应力分类是相互交叉的。一次应力可以有总体应力、局部应力和集中应力三种。进一步又可分为一次总体薄膜应力，一次总体弯曲应力二次应力也一样，但如果对选择恰当的许用应力没有影响，就不必再细分了。对于设计人员，比较常用的应力分类基本概念有一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力（primary stress）p。由于外载荷作用而在容器部件内产生的正应力或剪应力5。或者平衡外部机械载荷所必须的应力。其特点有两个：一是满足静力平衡条件，即载荷增加，应力相应增加，应变也增加；二是非自限性，应力沿壁厚方向均匀分布。一次应力又可分为以下三类：一次总体薄膜应力（general primary membrane stress）pm。影响范围遍及整个结构的薄膜应力6，如，各种应力中平衡压力或分布载荷所引起的薄膜应力。一次局部薄膜应力（primary local membrane stress）pl。应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力6。如，在壳体的固定支座或接管处由外载荷和力矩引起的薄膜应力。一次弯曲应力（primary bending stress）pb。平衡压力或其他机械载荷所需的沿截面厚度方向线性分布的弯曲应力6，如，平盖上压力引起的弯曲应力。二次应力（secondary stress）q。由于容器部件的自身约束或相邻部件的约束而产生的正应力或剪应力5。或者满足变形协调（连续性）要求所必须的应力。其特点也有两个：一是满足变形条件；二是自限性。即局部屈服和小量塑性变形就可以使约束条件或变形条件得到满足，从而使变形不再继续增大，只要不反复加载，结构处于“安定”状态，不会导致破坏，所以，二次应力的许用值应根据“安定性”的概念予以限制，如热应力和结构不连续处的弯曲应力。峰值应力（peak stress）f。由于结构不连续，而加到一次应力和二次应力之上的应力增量5。其特征为：一般同时有自限性和局部性，整体不变形，但往往是引起疲劳和脆性断裂的根源。在疲劳设计时，需要对峰值应力加以限制。控制一次应力极限是为了防止过分弹性变形，包括稳定在内；控制一次应力与二次应力叠加的极限，是为了防止过分的弹性变形和增长性破坏塑性不安定；控制峰值应力极限的目的是防止由周期性载荷引起的疲劳破坏。7应力分类与容器的破坏形式往往存在对应关系，如：薄膜应力对应容器开裂；弯曲应力对应容器变形；二次应力对应容器的安定性问题；峰值应力对应容器的疲劳开裂。 一次应力中的总体薄膜应力的应力强度小于或等于许用应力，即（pm）。 一次应力中的局部薄膜应力的应力强度1.5，即pl1.5（在规定设计中，= s1.6，再分析设计中= s1.5）。 一次应力中的总体薄膜应力或局部薄膜应力和弯曲应力之和的应力强度1.5，即pm（pl）pb1.5。 一次应力中的总体薄膜应力或局部薄膜应力和弯曲应力与二次应力之和的应力强度3，即pm（pl）pbq3（在规则设计中，= s3.0，在分析设计中= b2.6）。 一次应力与二次应力及峰值应力之和的应力强度不能超过由疲劳曲线所确定的许用应力，即pm（pl）pbqfsa8。压力容器典型零部件中的应力分类见表1。表1 压力容器典型零部件中的应力分类零部件名称应力位置引起其应力的原因应力分类符号圆柱形或球形壳体远离不连续处的壳壁内压总体薄膜应力沿壁厚的应力梯度（如厚壁筒）二次应力pmq轴向温度梯度薄膜应力、弯曲应力二次应力q与封头或法兰的连接处内压局部薄膜应力一次应力弯曲应力二次应力plq任何壳体或封头沿整个容器的任何截面外部载荷或力矩，或内压沿整个截面平均的总体薄膜应力，垂直于横截面总体薄膜应力pm外部载荷或力矩沿整个截面的线性分布（并非沿厚度）的弯曲力，垂直于横截面总体薄膜应力pm在接管或其他开孔的附近外部载荷或力矩，或内压局部薄膜应力一次应力弯曲应力二次应力峰值应力（填角或直角）plqf任何位置壳体和封头间温差薄膜应力、弯曲应力二次应力q凸形封头或锥形封头顶部内压总体薄膜应力一次弯曲应力pmpb过渡区域与壳体连接处内压局部薄膜应力一次应力弯曲应力二次应力plq平封头中央区内压总体薄膜应力一次弯曲应力pmpb与壳体连接处内压局部薄膜应力一次应力弯曲应力二次应力plq多孔的封头或壳体均匀布置的典型管孔带压力薄膜应力（沿横截面平均分布）一次应力弯曲应力（沿管孔带宽度平均，沿壁厚线性分布）一次应力峰值应力pmpbf分离的或非典型的孔带压力薄膜压力二次应力弯曲应力峰值应力峰值应力qff接管垂直于接管轴线的横截面内压或外部载荷或力矩外部载荷或力矩总体薄膜应力（沿截面平均）沿接管截面的弯曲应力总体薄膜应力pmpm接管壁内压总体薄膜应力局部薄膜应力二次弯曲应力峰值应力pmplqf膨胀差薄膜应力、弯曲应力二次应力q峰值应力f覆层任意位置热膨胀差薄膜应力、弯曲应力峰值应力f任何部件任意位置沿壳壁厚度方向上的温度梯度当量线性应力应力分布的非线性部分qf任何部件任意位置任意原因应力集中（缺口效应）f（2）设计准则压力容器的设计准则与失效准则是一个问题的两个方面，采用何种设计准则就是采用何种失效准则的问题。设计压力容器时，首先应确定容器的失效准则，然后按失效准则选择强度理论和计算公式，并确定安全系数。在压力和温度作用下丧失了正常的工作能力为失效，失效的最终表现形式为泄露、过度变形和断裂，所以失效不完全等同于破坏。压力容器失效形式大致可分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏时效。压力容器的设计准则通常有下列几种5,8。 弹性失效准则。按照弹性强度理论，当容器上边缘地区的相当应力达到屈服时，即为容器承受的极限状态。它规定了屈服极限是容器失效的应力。考虑安全系数后，容器实际应力处在弹性范围内。gb 150对内压圆筒、内压凸形封头等原件的设计公式都是按弹性失效原理制定的。 塑性失效准则。该准则认为，容器上某一点达到屈服时，并不会导致容器的失效。只有当整体屈服时，才是容器承受的极限状态。它规定了全屈服压力是容器失效的最高压力。考虑安全系数后，可得弯曲压力的强度校核条件达1.5t。对于脆性材料，尽管也是承受弯曲应力，但当器壁表面达s再继续增加外载荷时，器壁表面不能产生较大的塑性变形而将导致破裂。所以，仅从压力容器设计中引入塑性失效准则这一点考虑，选材时也要尽量将塑性较差的脆性材料排除在外，或采取相应的限制措施。jb 47321995钢制压力容器分析设计标准提供了以塑性失效准则为基础的设计方法。gb 150对平板、对整体法兰（包括按整体法兰设计的任意式法兰）连接的圆筒（或接管）颈部等原件的设计或应力计算公式，都是按塑性失效原理制定的。 弹塑性失效准则。弹塑性失效准则适用于反复加载过程。按照应力分类的概念，当容器边缘地区出现一定量的局部塑性变形时，即为容器承载的极限状态。它考虑到由于边缘应力产生过大的塑性变形时，将会加速疲劳破坏或造成脆性断裂。由于这一失效准则，允许结构有局部的塑性变形存在，且由于应力在结构各处的分布不均匀，局部塑性区为广大弹性区所包围，故称之为弹塑性失效准则。弹塑性失效准则也不适用于脆性材料。jb 47321995钢制压力容器分析设计标准提供了以弹塑性失效准则为基础的设计方法。gb 150对内压锥形和封头和圆筒的连接、无折边球形封头对圆筒的连接等件的设计公式和图表，都是按弹塑性变形失效原理制定的。 疲劳失效准则。该准则认为，容器在交变载荷作用下，当最大交变应力（在循环次数一定时）或循环次数（在最大交变应力一定时）达到疲劳设计曲线的规定值时，即为容器承载的极限状态。当设计规定要求考虑容器的疲劳问题时，除对容器进行强度计算外，还需进行疲劳设计，即进行容器寿命计算。“按分析设计”的容器设计规范包括疲劳设计方法。由于疲劳设计涉及弹塑性失效准则，所以将疲劳设计列入分析设计体系，应当采用jb/t 47321995钢制压力容器分析设计标准标准，它在选材、设计、结构、制造、检验等方面都严于按规定设计的gb 150标准。应力循环次数超过105为高周疲劳，102105为低周疲劳。jb/t 47321995规定对于常温抗拉强度b550mpa的钢材，疲劳循环次数小于1000次可免做疲劳分析。对于承受疲劳载荷的压力容器而言，通常要求采用正火钢板且对钢板逐张进行超声波检测级合格，大多都要求对焊接接头进行百分之百无损检测并对设备进行焊后消除应力热处理。采用下述措施可提高其可靠性：对焊接接头余高打磨至与母材平齐；角焊缝的内外尖角倒圆；适当提高壳体厚度以降低一次应力水平（提高设计压力是从另一方面体现了这一目的，压力波动不超过设计压力20%时可以考虑免除按疲劳设计）；通过结构受力分析尽可能使“该薄的薄，该厚的厚”。 断裂失效准则。是按照断裂力学概念，以造成容器低应力脆断时的应力或裂纹尺寸作为临界状态的一种计算准则。这种临界状态和相应的断裂失效准则有临界应力强度因子及k准则，临界裂纹张开位移及cod准则，临界j积分准则。断裂失效准则一般应用于带有超标缺陷的在役压力容器的评定，以判定该容器是否可以继续使用（有条件下的监督使用）或报废。我国在1984年公布的压力容器缺陷评定规范（cvda1984）后续又有gb/t 19624在用含缺陷压力容器安全评定，以cod准则为主；工程中准对应力腐蚀的研究方法和相应技术措施常以kic为主；准备编制的超高压容器标准中的材料技术指标也是按kic为判断指标。直接应用断裂失效准则受到限制，但是其基本思想是被广泛采用的，例如规则设计中对高强度材料制造的压力容器给予特殊的关注；开孔补强结构中限制过厚的补强圈被使用；低温压力容器的特殊设计问题；碳钢和低合金钢制压力容器水压试验时的最低水温限制等都是断裂力学思想在压力容器中的具体体现和应用。 蠕变失效准则。这是容器处在高温工作下的一种设计准则。容器在高温和一定应力的长期作用下，塑性变形将不断积累。当其蠕变速率（或等效蠕变应力）达到一定值时，即为容器承载的极限状态。按照蠕变失效准则进行设计时，应将容器的蠕变值（或按蠕变方程算得的相当应力）限制在某一许用范围。但规则设计对高温容器的设计仅在某一定的高温下选用合适的高温用材料，并按蠕变极限和持久强度来确定其许用应力，以便对蠕变值进行控制。一般认为，当温度高于金属材料的0.250.35tm(或以绝对温度表示的熔点)时，需要考虑蠕变问题。当碳素钢的温度超过300350oc、低合金钢超过400 oc、低合金铬钼刚超过450 oc、奥氏体不锈钢超过550 oc的情况下，考虑蠕变问题。高温条件下钢材许用应力“t”的确定是蠕变理论在规则设计中的具体应用。 腐蚀失效。化工压力容器的腐蚀失效是指与介质接触的器壁收到腐蚀性介质的侵蚀而产生破坏，它可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类。对腐蚀失效的控制实质上就是根据介质特性正确地选用合适的材料及合适的防腐蚀措施。在通常情况下，均匀腐蚀的限制条件，实际上就是弹性失效准则的限制条件，即在按照最大主应力计算出壳体厚度的基础上增加腐蚀余量；对于局部腐蚀，它不仅与容器的用材有关，而且与介质及其使用温度、压力、应力水平等有关，因此，局部腐蚀失效至今尚无统一的限制条件。（3） 设计标准gb 1501998钢制压力容器中采用的是弹性失效准则。具体的解题方法：用平面力系解法，按弹性失效准则来判断容器的强度。对于因压力引起的不同应力状态（拉、弯、扭、剪及其组合），均采用相同的许用应力值，用调整计算公式中有关系数的方法体现其差别，如封头、平盖、密封结构等的计算。具体说，对于容器中存在的一次局部薄膜应力、弯曲应力、二次应力以及他们的组合，采用极限分析和安定性分析准则将这些应力控制在与使用经验相吻合的安全水平。在标准中，通过限制元件结构的某些相关尺寸、采用应力增大系数、考虑形状系数等公式将这些局部应力控制在许用范围内7。所以在确定技术方案时，特别要注意标准中相关内容的“前提条件”、“边界条件”。压力容器设计有两种方法，即规则设计法和分析设计法。前者是基于经验方法的设计，其典型过程是确定设计载荷，选用设计公式、曲线和表格，并对所用材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚度，然后根据规范允许的构造细则及有关设计规则进行制造。gb 1501998钢制压力容器为规则设计，按弹性失效准则应用解析方法进行应力计算，从而简化了设计计算，与jb 47321995钢制压力容器分析设计标准相比具有计算简单、使用方便等特点，故得到了广泛应用。在gb 1501998钢制压力容器与jb 47321995钢制压力容器分析设计标准两个标准的相互覆盖适用范围内，可按经济效益对比和应用配合考虑任选其一。jb/t 4735钢制焊接常压容器与gb 150钢制压力容器一样都属于规则设计标准。jb 4732钢制压力容器分析设计标准的基本思路与asme 2相同。gb 150、jb 4732和jb/t 4735的适用范围和主要区别见表29。表2 gb 150、jb 4732和jb/t 4735的适用范围和主要区别项目gb 150jb 4732jb/t 4735设计压力0.1mpap35mpa，真空度不低于0.02mpa0.1mpap100mpa，真空度不低于0.02mpa0.02mpap0.1mpa设计温度按钢材允许的使用温度确定（最高为700 oc，最低为196 oc）低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高475oc）20oc（大于）350oc（奥氏体高合金刚制容器和设计温度低于20oc，但满足低温低应力工况，且调整后的设计温度高于20oc的容器不受此限制）对介质的限制不限不限不适用盛装高度毒性或极度危害介质的容器设计准则弹性失效设计准则和失稳失效设计准则塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则，局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定弹性失效设计准则和失稳失效设计准则项目gb 150jb 4732jb/t 4735应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数弹性有限元法；塑性分析；弹性理论和板壳理论公式，试验应力分析以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数强度理论最大主应力理论最大切应力理论最大主应力理论是否适用于疲劳分析容器不适用适用，但有免除条件不适用在我国压力容器标准体系中，gb 150钢制压力容器是最基本的、应用最广泛的标准，其技术内容与asme-1、jis b 8270（除第1种容器除外）等先进工业化国家的压力容器标准大致相当，但在适用范围、许用应力和一些技术指标上有所不同。下面以asme标准为例进行比较。 标准的适用范围。中国gb 150与asme标准在适用范围上的主要差别为压力限定和容器用材的限制。中国标准的压力限定有明确的数值，所适用的材料仅为刚才；asme则只给出一般限定，在满足特定的要求后，可以突破压力限制，并且除钢材外，也规定了有色金属、镍基合金、铸钢等材料的应用范围、许用应力和制造检验要求等。表3给出了两国标准中的压力限定值。表3 中、美两国压力容器标准中压力限定值比较（mpa）中国压力容器标准asme标准标准名称压力限定标准名称推荐压力范围gb 150钢制压力容器35asme-120jb 4732钢制压力容器分析设计标准100asme-270asme-370 安全系数。许用应力是压力容器标准中的基本参数，由材料的力学性能除以相应的材料设计系数来确定。gb 150中确定钢材许用应力时，低碳钢和低合金钢的屈服强度及抗拉强度的安全系数分别为1.6与3.0，与此相对应，asme-1中的数值为1.5与3.5。2.4 压力容器壳体形状选择圆筒形壳体应力分布比较均匀，承载能力高，较球形壳体容易制造，也便于内件的设置和拆卸，并且药包在载物台上放置的部位要使爆炸时壳体内壁各处受到的冲量尽可能相等或对称，所以在这种情况下，根据我们的实际需要，本毕业设计选择圆筒形壳体。第三章 压力容器基本参数设计3.1 压力容器壳体材料的选择材料是构成各种设备的物质基础，在压力容器设计中，能够与强度计算和结构设计并重唯有材料及其影响因素材料及其影响因素是设计中的难点。压力容器生产的多样性和设备的功能性，给选材带来了一定的复杂性，材料科学所具有半科学、半经验性质给选材更增加了难度。（1） 选材原则压力容器用材的主要选择依据：容器的适用条件，如温度、压力、介质、操作特点和结构特点；材料力学性能；材料的耐腐蚀性能，包括选材、防腐蚀结构、防腐蚀衬里、腐蚀裕量、条件控制等；材料的加工性能，如可焊性、冷热加工成型性等；材料的价格及来源；同一工程设计中用材要统一。针对目前压力容器的现状还应当注意，要尽量优先选用压力容器规范推荐的材料及国内材料标准中已有的材料，并且尽量采用国产材料。从性能方面考虑，下述原则可供参考：以刚度或结构设计为主的设备，受压容器应选用普通碳素钢，以强度设计为主的设备，应根据设计压力、设计温度、介质性质等使用限制，依次选用q235a.f、q235a、q235b、q235c、20r、16mnr等钢板；以强度设计为主的普通碳素钢压力容器，当板厚大于或等于8mm时，可选用16mnr等普通低合金钢；铬钼低合金钢可作为设计温度350550oc的压力容器耐热钢或大于250oc的高温高压抗氢用钢；不锈钢用于介质腐蚀性较强、防铁离子污染或设计温度大于500oc的耐热用钢（2） 材料问题的讨论为能选择合适的材料制造压力容器，保证压力容器安全正常地进行工作，必须首先了解材料的基本性能10。金属材料在一定的温度和外力作用下，所表现出抵抗某种变形或破坏的能力称为材料的力学性能。下面首先简单介绍下一般的力学性能。屈服强度s表现材料发生塑性变形的最小应力，反映材料抗微量塑性变形的能力。抗拉强度b表现材料在拉断前所能承受的最大应力值，它表示材料抵抗断裂的能力。伸长率是指试样拉断后的伸长量与原长度之比，表现材料被拉伸的程度。断面收缩率指试样拉断后的断面与原截面之比，表现材料被拉细的程度。冲击韧性是指材料在受到外加冲击载荷的作用下，断裂时消耗的功除以试样缺口断面面积而得到的商值。断裂韧性kic为第一类裂纹尖端应力强度因子的临界值，又称为平面应变条件下的断裂韧性。耐腐蚀性能是材料在使用条件下抵抗腐蚀介质侵蚀的能力。材料遭受腐蚀后，其质量、厚度、力学性能、组织结构及电极过程等都都可能发生变化，其变化程度可以衡量材料的耐腐蚀性能。对于均匀腐蚀，通常以腐蚀速率来衡量金属材料的耐腐蚀性能。金属良好的焊接性能要求焊缝和热影响区的性能与母材性能基本一致，焊缝处产生气孔、夹杂、裂纹等缺陷的倾向性低。钢材的焊接性能影响最大的是含碳量，含碳量增加，塑性下降，淬硬倾向增大，容易产生裂纹。除焊接性能外的冷热加工性能，常由材料力学性能要求的力学性能塑性指标保证。压力容器材料的冷加工性能一般还用冷弯试验衡量，冷弯性能的好坏也能反映材料塑性的高低。压力容器材料的物理性能也是选材要考虑的。压力容器使用在不同的场合，对材料的物理性能也有不同的要求。如高温容器要用熔点高的材料，要进行换热的容器要用导热系数较高的材料，如此可以节省材料。（3） 壳体材料的选择压力容器要承受起介质产生的冲击波的反射压力和气体产物的作用压力，同时还要受高温或低温或腐蚀介质的作用，所以壳体材料一般选择力学性能高、抵抗介质腐蚀能力强的。伸长率与断面收缩率都是塑性指标，相应的数值愈大，材料的塑性愈好，在压力容器设计中往往要求材料有较好的塑性，不仅适应加工制造的需要，更重要是为了在压力容器使用中，缓解高度集中的局部应力，避免容器因局部应力升高而导致的脆性破裂。一般情况下，材料强度的提高总会使塑性和冲击韧性下降，从而使制造工艺变的复杂，脆性破坏可能性变大，而且应力集中的负效应在高强度材料中更加突显。冲击韧性高的高低，取决于材料有无迅速变形的能力。冲击韧性高的材料，一般都有较高的塑性，冲击韧性时强度与塑性的综合指标，但塑性对韧性影响更大些。壳体材料要承受瞬时强冲击载荷，在这种情况下，它的力学性能与静态时有很大的不同，材料的应力、应变以及应变率的关系变得很复杂，此时设计中要考虑材料的动态屈服应力。下图5给出了几种钢材的动态屈服应力试验曲线。图5 动态屈服应力d与应变力的关系动态屈服应力d与应变力的关系服从如下对数关系：lgdamlg 或 dt(。)t为动态屈服点（mpa），a为压缩接触面积（m2），指数m如图所示，由试验确定。从上图4可知，应变率对纯铁、45号刚、a3(q235a级钢)等软钢特别明显。软钢有明显的屈服点，破坏前有明显的预兆，较大的变形。硬钢强度高，但塑性差，脆性大，从加载到突然拉断，基本上不存在屈服阶段。所以，我们可以选择软钢作为壳体材料。 中高压压力容器大多选用优质碳素钢，优质碳素钢含硫、磷杂质较少，硫0.040%，磷0.040%，塑性好，抗冷脆性等相对质量较好。下表4给出了35号和45号优质碳素结构钢化学成分及力学性能的一些数据。表4 35号和45号优质碳素结构钢化学成分及力学性能11钢号csimnbmpasmpa5%akj350.320.400.170.370.500.80530315204555450.420.500.170.370.500.80600355164039由上表4可知，虽然35号钢的抗拉强度b和屈服强度s都较45号钢的小，而延伸率5、断面收缩率以及冲击功ak均大于45号钢。所以根据以上分析选用35号钢作为壳体材料较好。壳体材料不易采用钢板卷制或焊接，因为在焊接过程中，对焊缝金属组织会产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝极其附近区域可能低于刚体本体的强度。所以，为了提高壳体强度，应选用无缝结构。综上所述本毕业设计选用35号优质碳素结构钢的无缝钢管。3.2 筒体设计参数的确定根据要求，压力容器正常工作压力3.0 mpa,最大工作压力5.5 mpa，容积为60l，选取无缝钢管325 mm，壁厚13 mm，尺寸允许偏差：外径1.25%，壁厚允许偏差10%。圆筒形： （ 3.21 ）由公式（ 3.21 ）可以求出圆筒高h= 723 mm根据gb 150-89规定，许用应力的计算公式为，是壳体材料的抗拉强度或屈服强度，n是抗拉强度或屈服强度安全系数，gb 150-89规定碳素钢抗拉强度安全系数取3.0，屈服强度安全系数取1.6。由壳体材料的抗拉强度确定的许用应力为：由壳体材料的屈服强度确定的许用应力为：根据gb 150-89规定，取抗拉强度和屈服强度确定的许用应力中较小的值，故=176.7mpa5.5mpa。由应力分析可知，中径d，壁厚为s的圆筒形壳体，承受均匀介质内压p时，其器壁中产生如下径向和周向薄膜应力12： （ 3.22 ）式中为钢材在设计温度下的许用应力，单位为mpa，为焊接接头系数，由于在焊接加热过程中，对焊缝金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。因此，在上式（ 3.22 ）中钢材的许用应力应该用强度较低的焊缝许用应力代替，焊接接头系数1。由于本毕业设计选择的是无缝钢管作为壳体材料，所以此处取1。内压圆筒计算厚度s的求解公式如下： （ 3.23 ）设计时，应以计算压力代替式（ 3.23 ）中的p，即： （ 3.24 ）式中为计算压力mpa，di为圆筒内直径mm，采用无缝钢管做筒体时，公称直径是其外直径do，而di=do-2s，代入式（ 3.24 ）可得： （ 3.25 ）其中最大工作压力为5.5mpa，则取=1.15.5mpa=6.05mpa，查表得35钢的屈服强度为315mpa，取安全系数为3，可求得35钢的许用应力为105mpa，所以可求得：圆筒壳体计算壁厚：将圆筒壳体计算壁厚s代入式（ 3.22 ）满足圆筒壳体设计壁厚计算公式：圆筒壳体名义壁厚计算公式：圆筒壳体有效壁厚计算公式：其中为腐蚀裕量，mm；为钢管或钢板厚度负偏差，mm；c为壁厚附加量，mm，壁厚附加量可按下式计算：钢管厚度负偏差和腐蚀裕量分别如下表5和表610所示。表5 钢管厚度负偏差钢管种类壁厚（mm）负偏差（%）碳素钢或低合金钢20201512.5不锈钢1010201520表6 腐蚀裕量介质腐蚀速率（mm/y）腐蚀裕量单面腐蚀双面腐蚀0.05120.050.112240.1根据本毕业设计的实际情况，选取为2mm，为1.4mm。所依据以上分析可以算出：圆筒壳体设计壁厚：圆筒壳体名义壁厚：圆筒壳体有效壁厚：圆筒壳体的最大允许工作压力为：3.3 压力容器封头设计封头是容器的重要组成部分，常见的有凸形封头、锥形封头和平板封头。这些在强度和制造等方面各有特点，采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。（1） 内压凸形封头凸形封头又包括以下半球形封头、椭圆封头、碟形封头、球冠形封头。 半球形封头半球形封头是由半个球壳构成的。故按无力矩理论计算，需要的厚度是同样直径的圆筒的二分之一。若厚度取与圆筒一样大小，则由前面的不连续分析可知，两者连接处的最大应力比圆筒周向薄膜应力大3.1，故从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量亦较大。 碟形封头碟形封头又称带折边球形封头，由三部分构成：以ri为半径的球面、以r为半径的过渡圆弧(即折边)和高度为h的直边。球面半径越大，折边半径越小，封头的深度将越浅，这对