过程设备设计课后习题答案

工艺设备设计(第二版)1.压力容器介绍思考问题1.压力容器的主要部件是什么？各自的角色是什么？答：压力容器由六部分组成：气缸、气缸盖、密封装置、开口喷嘴、支架和安全附件。钢瓶的作用：储存材料或完成化学反应所需的主要压力空间。头部的功能是直接与气缸焊接，形成容器的完整压力空间。密封装置的功能是确保承压容器不会泄漏。开口喷嘴的功能：满足工艺要求和维护需要。支架的作用是将压力容器支撑和固定在基础上。安全附件的作用：确保压力容器的使用安全，测量和控制工作介质的参数，确保压力容器的使用安全和正常过程。2.介质的毒性和易燃性如何影响压力容器的设计、制造、使用和管理？答：介质毒性越高，压力容器爆炸或泄漏造成的危害越严重，对材料选择、制造、检验和管理的要求也越高。例如，Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造含有剧毒或高度危险介质的压力容器；制造含有剧毒或高度危险介质的容器时，应对碳钢和低合金钢板进行逐个超声波应力测试，并对整个机体进行焊后热处理。容器上的甲、乙类焊接接头也应进行100%射线或超声波检测，并在水压试验合格后进行气密性试验。制造中度或轻度毒性容器的要求要低得多。毒性程度对法兰的选择也有很大影响，主要体现在法兰的公称压力等级上。如果内部介质中度有毒，所选管道法兰的标称压力不得小于1.0兆帕；内部介质毒性很高或非常高。所选管道法兰的公称压力不应小于1.6兆帕，带颈部的焊接法兰也应尽可能选用。易燃介质对压力容器的选择、设计、制造和管理有较高的要求。如Q235-AF，不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃中压容器的所有焊缝(包括角焊缝)应采用全熔透结构等。3.压力容器安全技术监察规程在确定压力容器的类型时，为什么分类不仅要基于压力水平，还要基于压力和体积乘积的pV？答：因为光伏产品价值越大，爆炸能量越大，容器破裂时的危害越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。4.压力容器安全技术监察规程和GB150的适用范围相同吗？为什么？甲：不一样。压力容器安全技术监察规程适用范围：最大工作压力0.1兆帕(不包括静水压力)；内径(非圆形截面为最大尺寸)0.15米，体积 0.025立方米；所含介质是最高工作温度高于或等于标准沸点的气体、液化气体或液体。GB150适用范围：0.1兆帕p35兆帕，真空度不小于0.02兆帕；根据钢材的允许使用温度(最高为700，最低为-196)；对媒体没有限制；弹性失效设计准则和不稳定性失效设计准则：基于材料力学和板壳理论公式，引入应力增长系数和形状系数。最大应力理论；不适用于疲劳分析容器。GB150是压力容器标准，是压力容器产品设计和制造的基础。压力容器安全技术监察规程是政府对压力容器实施安全技术监督管理的依据，属于技术法规范畴。5.gb150、JB4732和JB/T4735之间有什么区别？它们的适用范围是什么？答：JB/T4735 钢制焊接常压容器和GB150 钢制压力容器属于常规设计标准。JB4732 钢制压力容器分析设计标准是一个分析设计标准。JB/T4735与GB150和JB4732互不覆盖，但GB150和JB4732互覆盖范围相对较广。GB150适用范围：设计压力0.1兆帕p35兆帕，真空度不小于0.02兆帕；设计温度根据钢材的允许使用温度确定(最高700，最低-196)；对媒体没有限制；使用弹性失效设计准则和不稳定性失效设计准则；应力分析方法以材料力学和板壳理论公式为基础，引入应力增长系数和形状系数。采用最大应力理论。不适用于疲劳分析容器。JB4732的适用范围：设计压力为0.1兆帕100兆帕，真空度不小于0.02兆帕；设计温度低于通过钢的蠕变控制设计应力强度的相应温度(最大475)；对媒体没有限制；采用塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则，通过极限分析和安全分析的结果评价局部应力。应力分析方法有弹性有限元法、塑性分析、板壳弹性理论和理论公式以及实验应力分析。采用剪应力理论。适用于有豁免条件的疲劳分析容器。JB/T4735的适用范围：设计压力为-0.02mpa p0.1mpa。设计温度大于-20 350(奥氏体高合金钢容器和设计温度低于-20但满足低温低应力条件的容器，调整后设计温度高于-20的容器不受此限制)；不适用于含有剧毒或极度危险介质的容器；使用弹性失效设计准则和不稳定性失效设计准则；应力分析方法以材料力学和板壳理论公式为基础，引入应力增长系数和形状系数。采用最大应力理论。不适用于疲劳分析容器。2.压力容器的应力分析思考问题1.薄壳成为轴对称旋转问题的条件是什么？答：几何形状、承载负荷、边界支撑和材料属性与旋转轴对称。2.在推导非扭矩理论的基本方程时，当微量元素被截断时，是否可以用两个相邻的垂直于轴线的截面代替教科书中垂直于经度和壳体的锥面？为什么？答：没有。如果使用垂直于轴线的两个相邻横截面，而不是教科书中垂直于子午线和垂直于壳体的锥形表面，则在两个横截面与两个壳体表面相交之后获得的两个壳体表面之间的距离大于实际壳体厚度，而不是实际壳体厚度。建立的平衡方程的内力与这两个截面正交，而不是与正交壳体的两个表面的平面正交。正应力和剪应力不仅存在于正应力中，还存在于该截面中，这使得问题变得复杂。3.试分析标准椭圆封头长轴与短轴之比a/b=2的原因。答：当a/b=2时，椭圆封头的最大压应力和最大拉应力相等，这使得椭圆封头在相同壁厚下承受最大内压。因此，GB150称这种椭圆形头部为标准椭圆形头部。4.旋转壳体的不连续效应是什么？不连续应力的特征是什么，和两个参数的物理意义是什么？答：旋转壳体的不连续效应：附加力和力矩引起的变形较大，在组合壳体连接处迅速减小。相应的边缘应力也从较高的值迅速衰减，这被称为“不连续效应”或“边缘效应”。不连续应力有两个特点：局部性和自限性。局部性：从边缘内力引起的应力表达式可以看出，这些应力是随着与关节距离的增加而迅速衰减到0的函数。非自限性：连续应力是由相邻壳体连接处的薄膜不均匀变形和两个壳体连接边缘变形的弹性约束引起的。对于由塑性材料制成的壳体，当接合边缘局部发生塑性变形时，弹性约束开始解除，变形不会继续发展，不连续应力将自动受到限制。这种性质称为不连续st的自限性答：应力分布特征：周向应力 和轴向应力z均为拉应力(正值)，径向应力r为压应力(负值)。数值有如下规律：内壁周向应力 最大，为：而外壁周向应力 减小到最小值，即内壁 与外壁之差为；内壁径向应力为-pi，径向应力的绝对值随着r的增大而逐渐减小，外壁r=0。轴向应力是一个常数，沿壁厚均匀分布，是周向应力和径向应力之和的一半，即除z外，沿壁厚的其他应力的不均匀性与直径比k有关不能通过增加壁厚来提高承载力。由于内壁周向应力 最大，其值为：随着k值的增加，分子和分母值都增加。当直径比达到一定程度时，增加壁厚对减小壁面应力的效果不明显。6.当单层厚壁圆筒同时承受内压pi和外压po时，能否将压差代入仅承受内压或仅承受外压的厚壁圆筒的圆筒壁应力计算公式来计算圆筒壁应力？为什么？答：不是。从林公式图7思考问题可以看出，每个应力分量的第一项与内部压力和外部压力成正比，而不是成正比。径向应力和周向应力的第二项与。因此，它不能用语言来表达。7.内压和温差同时作用时，单层厚壁圆筒的综合应力是如何沿壁厚分布的？管壁屈服发生在哪里？为什么？答：当内压和温差同时作用于单层厚壁圆筒时，其综合应力沿壁厚的分布如图所示。当在内压下加热时，最大综合应力是外壁上的周向应力和拉应力。最大轴向应力也在外壁上，也是拉伸应力，小于周向应力。最大径向应力在外壁，等于0。对于内压和外加热，综合应力的最大值是周向应力，对于内壁，是拉应力。轴向应力的最大值也在内壁，也就是拉应力，小于周向应力的值。最大径向应力在内壁上，是压应力。当在内压下加热时，气缸壁的屈服发生在外壁。当内外加热时，它在内壁上。这是因为在上述两种情况下应力值最大。8.为什么厚壁圆筒微元体的平衡方程同样适用于弹塑性应力分析？答：由于平衡方程的建立与材料性质无关，只要弹性和弹塑性条件下的其他假设一致，建立的平衡方程就是完全相同的。9.两端封闭并能可靠承受轴向力的厚壁圆筒。对于理想的弹塑性材料，轴向、周向和径向应力之间的关系能在弹性和塑性阶段都建立起来吗？为什么？答：对于理想的弹塑性材料，弹性和塑性阶段都适用。教科书中已经推导出弹性阶段的建立，并建立了这个公式。从拉丁美洲公式可以看出，建立的原因是轴向、周向和径向应力随内外压力而变化，三个主应力方向保持不变，三个主应力的大小以相同的比例变化。从公式可以看出，公式是成立的。对于理想的弹塑性材料，从弹性段到塑性段，在保持加载的情况下，三个主应力方向保持不变，三个主应力的大小仍然按相同的比例变化，符合简单加载条件。根据塑性力学理论，可以用总量理论来求解，上述公式仍然有效。10.有两个测试11.预应力法提高厚壁圆筒屈服承载力的基本原理是什么？答：气缸的内部材料在承受工作载荷之前通过压缩预加应力，而外部材料处于拉伸状态。当气缸处于工作压力下时，气缸壁的应力分布是由弹性应力和残余应力叠加而成的，残余应力由拉丁美洲公式确定。内壁上的总应力减小，外壁上的总应力增加，使沿圆筒壁厚度方向的应力分布均匀化。从而提高气缸的初始屈服压力，更好地利用材料。12.承受横向均匀分布载荷的圆形薄板的机械特性是什么？其承载力低于薄壁壳体的原因是什么？答：承受横向均布载荷的圆形薄板的力学特性如下：它承受垂直于薄板中间表面的轴对称载荷；当板弯曲时，其中间表面保持中性；变形前正中面法线上的各点仍在变形后弹性曲面的同一法线上，法线上各点之间的距离不变；平行于中间表面的每一层材料都不被挤压。其承载能力低于薄壁壳体的原因是薄板中的应力分布为线性弯曲应力，最大应力出现在板表面，其值正比于；然而，薄壁壳体中的应力分布是均匀的，并且其值正比于。在同样的情况下，根据薄板和薄壳的定义，薄板承受的压力p比薄壳承受的压力p小得多。13.试比较在简支和固定边界条件下承受均布载荷的圆形薄板的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。答：周边固定支撑条件下的最大弯曲应力和挠度如下：简支边界条件下的最大弯曲应力和挠度如下：应力分布：简支周边的最大应力在板的中心；周边固定的最大应力在钢板周围。两者的最大偏转位置都在圆形薄板的中心。外围简单支撑与外围固定支撑的最大应力比简单支撑和固定外围支撑之间的最大挠度比结果如下图所示。14.尝试描述受均匀外压的旋转壳体的失效模式，并将其与受均匀内压的旋转壳体进行比较。答：旋转壳体在均匀外压作用下的失效模式主要是失稳。当壳体壁厚较大时，也可能发生强度失效。旋转壳体在均布内压作用下的失效模式主要是强度失效。一些旋转壳，如椭圆壳和碟形壳，当它们的深度很小并且在赤道上有很大的压应力时，也会发生失稳破坏。15.什么因素影响均匀外压下圆柱壳的临界压力？使用高强度材料来增加圆柱壳弹性不稳定性的临界压力是正确的吗？为什么？答：影响承受均匀外压的圆柱壳临界压力的因素包括：壳材料的弹性模量和泊松比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部区域的褶皱、凸起或凹陷。使用高强度材料来增加圆柱壳弹性不稳定的临界压力是不正确的，因为高强度材料和低强度材料的弹性模量之间的差异很小，而价格差异通常很大，这从经济角度来看是不合适的。然而，高强度材料的弹性模量高于低强度材料。在不增加成本的情况下，圆柱壳弹性失稳的临界压力可以增加。16.有什么方法可以解决内压壳体和接管连接处的局部应力？答：有：应力集中系数法、数值法、实验测试法和经验公式法。17.除了气缸上的压力问题集1.尝试应用非扭矩理论的基本方程求解圆柱壳的应力(壳体承受气体的内压P