过程设备设计课件

1、过程设备设计过程装备与控制工程专业核心课程过程设备过程设备？专业：过程装备与控制专业：过程装备与控制装备：装备：过程机器过程机器能量转换装置：如泵、压缩机、风机能量转换装置：如泵、压缩机、风机过程设备过程设备各种化学反应、单元操作所需设备，各种化学反应、单元操作所需设备， 如：精馏塔、干燥塔、反应塔、换热器如：精馏塔、干燥塔、反应塔、换热器设计设计？ 有目的、有约束的工程设计！有目的、有约束的工程设计！目目 录录 绪论绪论1压力容器导言压力容器导言2压力容器应力分析压力容器应力分析3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器材料及环境和时间对其性能的影响4压力容器设计压力容器设计5储存设备

2、储存设备6换热设备换热设备7塔设备塔设备几点说明：几点说明：1、本专业最核心的专业课，为本专业的、本专业最核心的专业课，为本专业的“饭碗饭碗”。2、本专业最独特的专业课、本专业最独特的专业课其它专业学生都不学。其它专业学生都不学。3、其核心内容、其核心内容压力容器压力容器 非常广泛地使用于工业和非常广泛地使用于工业和 民用领域。民用领域。2、控制方向和装备方向的必修课。、控制方向和装备方向的必修课。3、本专业的考研课程之一，也是非本专业研究生一、本专业的考研课程之一，也是非本专业研究生一 般都需选修的课程。般都需选修的课程。绪论绪论10个问题：个问题：（1） 产品的分类产品的分类 硬件产品（硬

3、件产品（hardware) 软件产品软件产品(software) 流程性产品流程性产品(processed material)（2）过程工业的概念）过程工业的概念 过程工业是指包括过程工业是指包括:化工化工轻工轻工炼油炼油食品食品制药制药冶金冶金能源能源 等行业在内的工业。等行业在内的工业。炼油厂设备炼油厂设备（3）过程工业的特点）过程工业的特点 a. 属于生产流程性材料产品的制造业属于生产流程性材料产品的制造业 b. 生产过程为流程性的生产过程为流程性的 例：合成氨工业例：合成氨工业 造气、净化、合成三大部分组成。造气、净化、合成三大部分组成。 c.处理的物料以流体、粉体为主处理的物料以流体

4、、粉体为主（4）过程装备）过程装备 过程装备过程装备 过程机器过程机器 过程设备过程设备 过程机器过程机器压缩机、泵、分离机、风机等。压缩机、泵、分离机、风机等。 完成其功能的主要部件为转动或平动完成其功能的主要部件为转动或平动 ！ 过程设备过程设备塔器、传热设备、反应器、储罐等塔器、传热设备、反应器、储罐等 完成其功能的主要部件不运动！完成其功能的主要部件不运动！几个身边的例子：锅炉、油罐车、压力锅几个身边的例子：锅炉、油罐车、压力锅.（5）工艺与装备的关系）工艺与装备的关系 “工艺是先导，装备是保障工艺是先导，装备是保障”。例：余国琮例：余国琮 院士院士启示：只有既懂工艺，又懂装备与控制，

5、才可能成启示：只有既懂工艺，又懂装备与控制，才可能成为合格的过程工业的工程师。为合格的过程工业的工程师。 （6） 过程系统过程系统 工艺工艺+装备装备+控制控制+技术经济学技术经济学+（7） 过程工业的主要发展领域过程工业的主要发展领域过程原理与技术的创新过程原理与技术的创新 主要包括三传一反原理与技术的创新。主要包括三传一反原理与技术的创新。成套装置技术的创新成套装置技术的创新 从系统工程的角度研究装备技术的创新。从系统工程的角度研究装备技术的创新。过程装备放大技术的创新过程装备放大技术的创新 规模化是过程工业的发展趋势。规模化是过程工业的发展趋势。 过程装备结构技术的创新过程装备结构技术的

6、创新 具有优良性能的新结构技术。具有优良性能的新结构技术。 过程装备设计理论和手段的创新过程装备设计理论和手段的创新 如热经济学优化设计理论、强度理论、失效判断如热经济学优化设计理论、强度理论、失效判断理论等；计算机辅助设计理论等；计算机辅助设计(CAE)软件包（软件包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）。等）。 过程装备材料技术的创新过程装备材料技术的创新 陶瓷材料、纳米材料、复合材料等的技术创新。陶瓷材料、纳米材料、复合材料等的技术创新。 过程装备制造技术的创新过程装备制造技术的创新 计算机辅助制造技术（计算机辅助制造技术（CAM)。 过程装备故障诊断技术的创新过程装备故障诊断

7、技术的创新 再线诊断技术的创新。再线诊断技术的创新。 过程控制技术的创新过程控制技术的创新 新型传感器技术和控制理论的创新。新型传感器技术和控制理论的创新。 清洁生产技术的创新清洁生产技术的创新 环境影响评估技术与清洁生产技术的创新。环境影响评估技术与清洁生产技术的创新。（8）过程设备与过程机器示例）过程设备与过程机器示例 过程机器和过程设备的联系与区别：过程机器和过程设备的联系与区别：都属于过程装备；都属于过程装备；过程机器：主要功能是把能量传递给物料，提高过程机器：主要功能是把能量传递给物料，提高 其压力或速度。一般为选型设计。其压力或速度。一般为选型设计。过程设备：主要功能是为物料的物理

8、过程或化学过程设备：主要功能是为物料的物理过程或化学 过程提供适宜的场所。非标设计。过程提供适宜的场所。非标设计。选型设计：按工艺需求，选择机器的型号。选型设计：按工艺需求，选择机器的型号。非标设计：遵守国标前提下，针对具体设备进行设计。非标设计：遵守国标前提下，针对具体设备进行设计。（9）过程设备的基本要求）过程设备的基本要求a. 安全可靠安全可靠 过程设备往往都是过程设备往往都是“炸弹炸弹”，即使是常压设备，即使是常压设备，由于过程工业所处理的物料往往具有较强的腐蚀性、由于过程工业所处理的物料往往具有较强的腐蚀性、毒性、发射性，一旦物料泄漏，将对环境和各种生毒性、发射性，一旦物料泄漏，将对

9、环境和各种生物带来毁灭性的伤害，所以，过程设备必须安全可物带来毁灭性的伤害，所以，过程设备必须安全可靠。靠。b. 满足过程的要求满足过程的要求 过程设备的主要功能是为物料的物理过程或化过程设备的主要功能是为物料的物理过程或化学过程提供适宜的场所，因此它必须要满足过程的学过程提供适宜的场所，因此它必须要满足过程的要求。如合成塔、吸收塔、换热器都必须满足相应要求。如合成塔、吸收塔、换热器都必须满足相应过程的要求。过程的要求。c. 有好的经济技术指标有好的经济技术指标 单位产品成本低、热力学完善度高。单位产品成本低、热力学完善度高。d. 易于操作、维护和控制易于操作、维护和控制 操作简单、可维护性和

10、可修理性好，有优操作简单、可维护性和可修理性好，有优良的控制水平。如换热器的清污性能好、管束良的控制水平。如换热器的清污性能好、管束替换方便、操作弹性好。替换方便、操作弹性好。e. 优良的环境性能优良的环境性能 对环境的影响尽可能地小（包括：物料污染、对环境的影响尽可能地小（包括：物料污染、声污染、光污染、热污染、放射性污染等）。声污染、光污染、热污染、放射性污染等）。（10）过程设备的设计）过程设备的设计a. 设计设计 制造制造 使用使用 维护与修理维护与修理需求分析和目标界定需求分析和目标界定提出各种方案提出各种方案方案评价方案评价方案不可行方案不可行方案可行方案可行评估标准：评估标准：功

11、能功能安全性安全性经济性经济性对环境的影响对环境的影响可制造性可制造性时间等时间等改进改进b. 过程设备设计的主要内容过程设备设计的主要内容文献检索与分析文献检索与分析确定设计标准确定设计标准确定材料确定材料确定设计理论和设计方法确定设计理论和设计方法工艺设计工艺设计总体设计总体设计强度设计强度设计结构设计结构设计确定制造工艺确定制造工艺性能评价性能评价总结：总结： 过程设备是化工、轻工、炼油、食品、制药、过程设备是化工、轻工、炼油、食品、制药、冶金、能源等行业广泛使用的一种装备，有别于冶金、能源等行业广泛使用的一种装备，有别于一般的装备。过程设备的设计涉及到过程原理、一般的装备。过程设备的设

12、计涉及到过程原理、固体力学、流体力学、热力学、机械学、自动控固体力学、流体力学、热力学、机械学、自动控制原理与仪器仪表等学科。其涉及学科的范围和制原理与仪器仪表等学科。其涉及学科的范围和问题的复杂程度都是工程问题中极为少见的。问题的复杂程度都是工程问题中极为少见的。 先进的过程设备设计方法是以计算机辅助设先进的过程设备设计方法是以计算机辅助设计（计（CAE)为标志的以寻求最优化结果为目标的设为标志的以寻求最优化结果为目标的设计。计。1压力容器导言压力容器导言1.1 压力容器总体结构压力容器总体结构1.2 压力容器的分类压力容器的分类1.3 压力容器规范标准压力容器规范标准提示：过程设备通常也称

13、为压力容器与设备，或简提示：过程设备通常也称为压力容器与设备，或简 称为压力容器。称为压力容器。封头封头筒身筒身支座支座接管接管筒节筒节环焊缝环焊缝纵焊缝纵焊缝补强圈补强圈盲板盲板接管接管支座支座上封头上封头下封头下封头图片法兰法兰补强圈补强圈图片返回问题：问题： 压力容器主要由哪几部分构成？各有什么作用？压力容器主要由哪几部分构成？各有什么作用？提示：压力容器必须提供一个密闭的空间！理由？提示：压力容器必须提供一个密闭的空间！理由？压力容器通常由以下压力容器通常由以下8个部分组成：个部分组成：a. 筒身筒身 钢板卷制而成钢板卷制而成 制造容易、成本低制造容易、成本低筒身筒身 整体锻造而成整体

14、锻造而成 制造困难、成本高、性能好制造困难、成本高、性能好 单层单层 多用于中低压容器多用于中低压容器筒身筒身 多层多层 多用于高压容器多用于高压容器问题：压力容器可以用什么材料制作？问题：压力容器可以用什么材料制作？b. 封头封头 按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头、平板封头等。形封头、锥形封头、平板封头等。 特点：轴对称！特点：轴对称！半椭球封头半椭球封头 半椭球封头半椭球封头 半球形封头半球形封头特点？特点？锥形封头锥形封头特点？特点？c. 法兰法兰 容器法兰容器法兰： 用于容器间或容器与封头的连接；用于容器间或容器与封头的连接；

15、 管道法兰管道法兰： 用于管道间的连接；用于管道间的连接；问题：法兰的作用？问题：法兰的作用？d. 密封装置密封装置 用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。e. 开孔与接管开孔与接管 在容器上开孔的目的是为了便于检修（人在容器上开孔的目的是为了便于检修（人孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或是为了满足工艺的要求。是为了满足工艺的要求。问题：为何在容器上开孔？问题：为何在容器上开孔？f. 支座支座 把压力容器支承并固定在基础上。把压力容器支承并固定在基础上。问题：不要支座行吗？问题：不要支座行吗？g. 补强圈补强圈 开

16、孔会引发开孔区域产生过大的应力，为开孔会引发开孔区域产生过大的应力，为安全计，需要补强圈补强。安全计，需要补强圈补强。 提示：局部增强！提示：局部增强！h. 安全附件安全附件 安装各种安全泄放装置和各种压力表、测温安装各种安全泄放装置和各种压力表、测温仪表、液位计等。仪表、液位计等。问题：高压锅的安全泄放装置？问题：高压锅的安全泄放装置？问题：任何保证压力容器的安全？问题：任何保证压力容器的安全？1.2 压力容器的分类压力容器的分类a. 压力容器分类的理由压力容器分类的理由 压力容器潜在的危害程度不同！压力容器潜在的危害程度不同！ 压力容器发生事故所造成的危害程度差别很大，压力容器发生事故所造

17、成的危害程度差别很大，而决定危害程度的因素又很多，有压力、温度、而决定危害程度的因素又很多，有压力、温度、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等。使用场所等。提示：联系后续内容中的焊缝分类、应力分类！提示：联系后续内容中的焊缝分类、应力分类！b. 压力容器分类的依据压力容器分类的依据 主要根据压力、温度、物料的相态、物料的主要根据压力、温度、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等都都与压力容器的潜在危害程度相关！与压力容器的潜在危害程度相关！c.压力容器的分类压力容器的分类提示：经常考的内容

18、！提示：经常考的内容！ 按压力大小分按压力大小分 低压容器（低压容器（L） 0.1MPap1.6MPa 中压容器（中压容器（M） 1.6MPap10MPa 高压容器（高压容器（H） 10MPap100MPa注：记住几个压力界限！注：记住几个压力界限！提示：大部分的压力容器为中低压容器。提示：大部分的压力容器为中低压容器。 按用途分按用途分 反应器反应器如合成塔、反应釜如合成塔、反应釜 换热器换热器如废热锅炉、汽车发动机水冷却器如废热锅炉、汽车发动机水冷却器 分离器分离器如精馏塔、干燥塔如精馏塔、干燥塔 储储 罐罐如油罐、家用液化气罐如油罐、家用液化气罐 按安装方式分按安装方式分 固定式固定式绝

19、大部分压力容器绝大部分压力容器 移动式移动式如火车物料罐、汽车油罐如火车物料罐、汽车油罐按安全管理分（按容规分类按安全管理分（按容规分类 最重要的分类！最重要的分类！）分为三类：分为三类： 具有下列情况之一的，为第三类压力容器：具有下列情况之一的，为第三类压力容器：高压容器高压容器中压容器且介质为极度毒性和高度危害中压容器且介质为极度毒性和高度危害中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、pv10MPa. m中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、pv0.5MPa. m容规：压力容器安全技术监察规程容规：压力容器安全技术监察规程 低

20、压容器且介质为极度毒性和高度危害、低压容器且介质为极度毒性和高度危害、 pv0.2MPa. m 高压、中压管壳式余热锅炉高压、中压管壳式余热锅炉 中压搪玻璃压力容器中压搪玻璃压力容器 使用强度级别较高的材料制造的压力容器使用强度级别较高的材料制造的压力容器(抗拉强抗拉强度度540MPa) 移动式压力容器移动式压力容器 容积大于容积大于50m的球形容器的球形容器 容积大于容积大于5m的低温贮存容器的低温贮存容器具有下列情况之一的，为第二类压力容器：具有下列情况之一的，为第二类压力容器： 中压容器中压容器 低压容器且介质为极度毒性和高度危害低压容器且介质为极度毒性和高度危害 低压反应器和低压贮存容

21、器，介质易燃或毒性中等低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等 低压管壳式余热锅炉低压管壳式余热锅炉 低压搪玻璃压力容器低压搪玻璃压力容器除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。注意：各国对压力容器的分类方法不尽相同。注意：各国对压力容器的分类方法不尽相同。问题：容规分类中需考虑哪些因素？问题：容规分类中需考虑哪些因素？1.3 压力容器规范标准压力容器规范标准1.3.1 国外压力容器标准简介国外压力容器标准简介 ASME规范规范 美国标准（美国标准（American society of Machinery engineering) 为世界上第一

22、部压力容器设计和制造方面的规为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等国家）。国家）。 提示：压力容器的设计必须遵守各种各样的标准！提示：压力容器的设计必须遵守各种各样的标准！1965年推出年推出ASME规范；规范；1968年推出年推出ASME规范的两个分册：规范的两个分册：第一册为传统的规则设计（第一册为传统的规则设计（Design by Rules)第二册为分析设计规范（第二册为分析设计规范（Design by Ana

23、lysis）提示提示1：压力容器设计分为常规设计和分析设计！：压力容器设计分为常规设计和分析设计！后者更科学、更合理！后者更科学、更合理！提示提示2：本课程重点介绍常规设计！：本课程重点介绍常规设计！ 欧盟压力容器标准欧盟压力容器标准 为适应欧洲一体化而建立的标准，正在逐步为适应欧洲一体化而建立的标准，正在逐步完善。该规范对中国的压力容器标准也有一定的完善。该规范对中国的压力容器标准也有一定的影响。如英国影响。如英国1976年制定的年制定的BS5500标准，为分标准，为分析设计标准。析设计标准。 日本标准日本标准 日本于日本于1993年推出分析设计标准年推出分析设计标准JIS8250。1.3.

24、2 国内主要压力容器标准国内主要压力容器标准 较为成熟的标准是：较为成熟的标准是：1989年制定的年制定的GB150-89钢制压力容器钢制压力容器和和 GB151-89钢制管壳式换热器钢制管壳式换热器等。等。1998，1999年又重新修订了这两部标准和相关标准。年又重新修订了这两部标准和相关标准。这些标准都是以这些标准都是以ASME规范为蓝本，同时也吸取了欧规范为蓝本，同时也吸取了欧洲标准的一些思想，同时也加入了一些自己的思想和洲标准的一些思想，同时也加入了一些自己的思想和方法（如管板强度设计方法）。方法（如管板强度设计方法）。注：新版标准在征求意见中！注：新版标准在征求意见中！ 提示：标准很

25、多！提示：标准很多！GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器 为常规设计标准为常规设计标准 JB473295钢制压力容器分析设计标准钢制压力容器分析设计标准 为为兼有常规设计和分析设计内容。兼有常规设计和分析设计内容。注意：注意： 由于部门分割、标准修订时间间隔过长和所由于部门分割、标准修订时间间隔过长和所采用的强度设计准则不同，造成了我国有国家标采用的强度设计准则不同，造成了我国有国家标准和行业标准，甚至还有地方标准的状况，但这准和行业标准，甚至还有地方标准的状况，但这些标准的差别并不是很大，今后，行业标准和地些标准的差别并不是很大，今后，行业标准和地方标准会逐步淡出，压力容器的规范还是

26、以国家方标准会逐步淡出，压力容器的规范还是以国家标准为主，国家标准也会因为经济全球化而逐步标准为主，国家标准也会因为经济全球化而逐步向国际标准靠拢。向国际标准靠拢。强者制定标准！强者制定标准！1.3.3 国家标准和工业国家标准的比较国家标准和工业国家标准的比较 GB150较多地参照了较多地参照了ASME！1、与美国标准、欧洲标准的内容基本相同；、与美国标准、欧洲标准的内容基本相同；2、制定标准的出发点也相差不多；、制定标准的出发点也相差不多；3、差别主要在：、差别主要在： a、标准的适用范围、标准的适用范围 b、材料的许用应力、材料的许用应力 c、材料的牌号及其性能、技术指标有所不同。、材料的

27、牌号及其性能、技术指标有所不同。1.3.4 制定标准的目的制定标准的目的 标准化的目的是为了实现产品的系列化、通标准化的目的是为了实现产品的系列化、通用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作的资质都必须有章可循。的资质都必须有章可循。问题：如何看待压力容器的规范？问题：如何看待压力容器的规范？“工程设计是一门艺术！工程设计是一门艺术！”路甬祥路甬祥注意：工程设计必须遵守相关国家标准

28、！注意：工程设计必须遵守相关国家标准！2压力容器应力分析压力容器应力分析2.1 回转薄壳的应力分析回转薄壳的应力分析2.2 厚壁容器的应力分析厚壁容器的应力分析2.3 结构与力学性能的关系结构与力学性能的关系2.4 壳体的稳定性分析壳体的稳定性分析2.5 典型局部应力典型局部应力本章为常规设计的基础！是期末考和考研的重点！本章为常规设计的基础！是期末考和考研的重点！问题：应力分析的目的？问题：应力分析的目的？问题：何谓强度？问题：何谓强度？2 压力容器应力分析压力容器应力分析问题：压力容器失效的后果？导致压问题：压力容器失效的后果？导致压力容器失效的最根本原因是什么力容器失效的最根本原因是什么

29、呢？呢？2.1 回转薄壳的应力分析回转薄壳的应力分析2.1.1 回转薄壳的概念回转薄壳的概念回转壳的特点：回转壳的特点： 母线以回转轴为中心旋转而母线以回转轴为中心旋转而得，故为得，故为对称壳体对称壳体。若：壁厚若：壁厚/ /中面曲率半径中面曲率半径0.1，称该壳体为薄壳，反之为，称该壳体为薄壳，反之为厚壳。厚壳。为什么要区分厚、薄壳？为什么要区分厚、薄壳？薄壳薄壳常规设计，依据无力矩理论！简单，误差大！常规设计，依据无力矩理论！简单，误差大！厚壳厚壳分析设计，依据有力矩理论！复杂，误差小！分析设计，依据有力矩理论！复杂，误差小！在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变形为在应力分析中，假

30、定：材料是连续、各向同性、变形为弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形后互相不弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形后互相不挤压（？）。挤压（？）。考研同学注意此假定！考研同学注意此假定！2.1.2 薄壁圆筒的应力分析薄壁圆筒的应力分析分析方法：单元体平衡法分析方法：单元体平衡法环向应力和经向应力环向应力和经向应力问题：环向应力和经向应力的作用效果？问题：环向应力和经向应力的作用效果？水平方向力平衡关系（采用截面法）：水平方向力平衡关系（采用截面法）：DtpD24tpD4提示：区域平衡方程！提示：区域平衡方程！说明：截面法并不都可用！单元体平衡法更具普遍性！说明：截面法并不都可用！单元体平

31、衡法更具普遍性！扩展：还原论扩展：还原论水平方向的力平衡式：水平方向的力平衡式：202sin2tdpRi提示提示1：厚度设为：厚度设为1提示提示2：总体平衡，则其部分必处于平衡状态。：总体平衡，则其部分必处于平衡状态。tpD2单元体平衡法：由局部微元的平衡关系推导出整体单元体平衡法：由局部微元的平衡关系推导出整体 的平衡关系。的平衡关系。提示：微分提示：微分 积分积分一般方法：一般方法： 取有代表性微元取有代表性微元 （关键！）（关键！） 建立力平衡关系建立力平衡关系 （一般为微分方程）（一般为微分方程） 解微分方程得到定解解微分方程得到定解 （一般需考虑边界条件）（一般需考虑边界条件）提示：

32、轴对称回转薄壳的应力求解非常简单！提示：轴对称回转薄壳的应力求解非常简单！问题：如何取有代表性微元问题：如何取有代表性微元 ？2.1.3 回转薄壳的几何要素回转薄壳的几何要素第一曲率半径第一曲率半径R1、第二曲率半径、第二曲率半径R22.1.4 无力矩理论和有力矩理论无力矩理论和有力矩理论壳体内力分析壳体内力分析无力矩理论无力矩理论（薄膜理论）（薄膜理论）有力矩理论有力矩理论（弯曲理论）（弯曲理论）薄膜力薄膜力横向剪力横向剪力弯矩、扭矩弯矩、扭矩十个内力分量十个内力分量内力有力矩理有力矩理论或弯曲论或弯曲理论理论（静不定）（静不定）无力矩理无力矩理论或薄膜论或薄膜理论理论（静定）（静定）10个

33、个薄膜内力NNNN、由中面的拉伸、压缩、由中面的拉伸、压缩、剪切变形而产生剪切变形而产生4个个无力矩理论都是围绕无力矩理论都是围绕中面中面展开的，因壁很薄，中面展开的，因壁很薄，中面上的变形和应力可代表薄壳的变形和应力！上的变形和应力可代表薄壳的变形和应力！弯曲内力QQ 、扭矩横向剪力MM 、MM、由中面的曲率、扭矩变由中面的曲率、扭矩变形而产生形而产生6个个弯矩对于承受轴对称载荷的壳体中面受力？对于承受轴对称载荷的壳体中面受力？薄膜内力N、N2个个弯曲内力Q横向剪力MM 、3个个弯矩有力矩理论更合理，也更复杂！有力矩理论更合理，也更复杂！设想：如果可以用简单的无力矩理论进行压力容器的设计，且

34、设想：如果可以用简单的无力矩理论进行压力容器的设计，且 误差又不大！误差又不大！ 回转薄壳！回转薄壳！2.1.5 无力矩理论的基本方程无力矩理论的基本方程采用微元体平衡法导出采用微元体平衡法导出注意：以下为无力矩力学理论！注意：以下为无力矩力学理论！建立作用在微元体上的内力与外载荷之间的平衡关系建立作用在微元体上的内力与外载荷之间的平衡关系最后得：最后得： 拉普拉斯方程拉普拉斯方程注意：注意： P与壳体表面垂直的压力与壳体表面垂直的压力问题问题1：公式中各物理量的单位？：公式中各物理量的单位？问题问题2：一个公式中有两个未知量，如何解？：一个公式中有两个未知量，如何解？提示提示1：记住公式！明

35、确其中物理量！：记住公式！明确其中物理量！提示提示2：考研者需学会推导！：考研者需学会推导！tpRR21区域平衡方程区域平衡方程应力求解的重要途径！应力求解的重要途径！一般用来求经向应力，在一般用来求经向应力，在回转轴方向回转轴方向建立力平衡方程。建立力平衡方程。气体压力在回转轴方向合力：气体压力在回转轴方向合力：环带：环带：内力在回转轴方向合力：内力在回转轴方向合力：区域平衡方程：区域平衡方程：mrrpdrV02cos2 rpdldV dldrcosmrrpdrV02cos2trVmVV 例：圆柱薄壳的区域平衡方程：例：圆柱薄壳的区域平衡方程：DtpD24tpD4tpD2结合拉普拉斯方程得：

36、结合拉普拉斯方程得：tpD4与之前的推导相同！与之前的推导相同！提示：环向应力也可由拉普拉斯方程直接得到！提示：环向应力也可由拉普拉斯方程直接得到！例：承受气压球壳例：承受气压球壳M点经向应力。点经向应力。得经向应力：得经向应力：结合拉普拉斯方程得：结合拉普拉斯方程得：mrrpdrV02prm2mrrpdrV02sin2trVmtpR2tpR2sinRrm2.1.6 无力矩理论的应用无力矩理论的应用 承受气体内压承受气体内压的回转薄壳：的回转薄壳：左侧公式为通用公左侧公式为通用公式！通用的范围？式！通用的范围？提示：考研必考内容！提示：考研必考内容！问题：载荷不止气问题：载荷不止气压时，怎么办

37、？压时，怎么办？tpR2tpR2tpRa.球形壳体球形壳体b.圆柱壳体圆柱壳体提示：记住公式，分析特点！提示：记住公式，分析特点！问题：球形壳体的优点？缺点？问题：球形壳体的优点？缺点？扩展问题：工业实践中，很少使用半球形封头，理由？扩展问题：工业实践中，很少使用半球形封头，理由？扩展问题：工业实践中，很少使用球形容器，理由？扩展问题：工业实践中，很少使用球形容器，理由？C、锥形壳体、锥形壳体prV2截面是什么形状？截面是什么形状？过过A点截面与点截面与OA子线垂直！子线垂直！cos2rtV A点的两相应力计算公式？有何特点？点的两相应力计算公式？有何特点？半锥角等于半锥角等于90度时？度时？

38、 半锥角等于半锥角等于0度时？度时？O点的应力？点的应力？原因？原因？D、椭球形壳体、椭球形壳体情况要复杂一些，但仍然按情况要复杂一些，但仍然按拉普拉斯拉普拉斯方程和方程和区域平衡区域平衡方程求解！方程求解！几个问题：几个问题：1. a/b 的不同比值与两向薄膜应力之间的关系；的不同比值与两向薄膜应力之间的关系；2. a/b比值为比值为1时，对应球形薄壳；时，对应球形薄壳；3. a/b比值为比值为2时，对应标准椭球薄壳，其一半为标时，对应标准椭球薄壳，其一半为标准半椭球封头，为应用最广泛的封头（？）。准半椭球封头，为应用最广泛的封头（？）。E、储存液体的回转薄壳、储存液体的回转薄壳gxpp0t

39、Rgxp0tRgxp)(0由拉普拉斯方程得：由拉普拉斯方程得：由由A点以上部分的区域平衡方程得：点以上部分的区域平衡方程得：022pRRttRp20问题：如果支座在容器的问题：如果支座在容器的中部，支座上方、下方的中部，支座上方、下方的应力如何推导？应力如何推导？仅受自重作用时的应力仅受自重作用时的应力由拉普拉斯方程得：由拉普拉斯方程得：由区域平衡方程得：由区域平衡方程得： 为为A点以上部分壳体的重量。点以上部分壳体的重量。tRgxp)(0 xGRt20G如果支座不再底部，其上方、下方的两向应力？如果支座不再底部，其上方、下方的两向应力？回转薄壳回转薄壳圆柱、圆锥、球壳圆柱、圆锥、球壳在以下情

40、况时的两向薄膜应力如何推导？在以下情况时的两向薄膜应力如何推导？ 仅受自重作用仅受自重作用 仅受气压作用仅受气压作用 仅受液体静压作用仅受液体静压作用 气压和液体静压共同作用气压和液体静压共同作用方法都一样！方法都一样！ 拉普拉斯方程拉普拉斯方程 区域平衡方程区域平衡方程求经向应力求经向应力考研特别注意！考研特别注意！E .球形壳体球形壳体应力在支座支承处有突变，说明什么？应力在支座支承处有突变，说明什么？支座处弯曲内力很大！无力矩理论计算结果误差大！支座处弯曲内力很大！无力矩理论计算结果误差大！图片无力矩理论的应用条件无力矩理论的应用条件 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，壳体的厚度

41、、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。且构成壳体的材料的物理性能相同。 壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。 客观地说，实际的压力容器都不能使用无力客观地说，实际的压力容器都不能使用无力矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大，完论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大，完全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到满足，则无力矩理论不适用。满足，则无力矩理论不适用。核心：变形不协调！核心：变形不协调！2.

42、1.7 回转薄壳的不连续分析回转薄壳的不连续分析a. 不连续和不连续分析不连续和不连续分析 几何形态不连续、或数学不连续、或载荷突几何形态不连续、或数学不连续、或载荷突变，由此造成应力突变或出现大应力状况。变，由此造成应力突变或出现大应力状况。 由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导致设部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导致设备在局部破坏，最终造成设备失效。备在局部破坏，最终造成设备失效。 分析不连续应力的方法称为不连续分析。分析不连续应力的方法称为不连续分析。核心：变形不协调！核心：变形不协调！ 几何形态不

43、连续几何形态不连续问题：图中，几个地方问题：图中，几个地方存在几何形状突变？存在几何形状突变？ 材料不连续材料不连续核心：变形不协调！核心：变形不协调！ 集中载荷集中载荷核心：变形不协调！核心：变形不协调！ 材料厚度突变材料厚度突变核心：变形不协调！核心：变形不协调！b. 不连续分析方法不连续分析方法变形分析（变形分析（M、Q、M、Q） 变形协调方程变形协调方程 边缘力和边缘力矩（边缘力和边缘力矩（Mo、Qo） 位移（位移（w） 内力和内力矩（内力和内力矩（Nx、N、Mx、M、Qx） 应力（应力（、）求解不连续应力的步骤了解了解 力的连续（各种内力、应力）力的连续（各种内力、应力） 分析方法的

44、核心是：分析方法的核心是： 变形的连续（线位移、角位移）变形的连续（线位移、角位移）注意：内力包括轴力、剪力、弯距；应力包括正应力和注意：内力包括轴力、剪力、弯距；应力包括正应力和 剪应力。剪应力。 通过有力矩理论建立协调方程后即可求解出不连续区通过有力矩理论建立协调方程后即可求解出不连续区域的各种力和变形。域的各种力和变形。c. 不连续应力的特性不连续应力的特性局限性局限性自限性（限于塑性材料）自限性（限于塑性材料）距相贯处约距相贯处约60mm，应，应力以急速衰减至薄膜应力以急速衰减至薄膜应力的大小！力的大小！重要特点！重要特点！局限性、自限性的意义？局限性、自限性的意义？d. d. 对不连

45、续应力的处理对不连续应力的处理 尽量消除或降低不连续应力产生的条件；尽量消除或降低不连续应力产生的条件； 对一般的由塑性材料制成的压力容器不进行不连对一般的由塑性材料制成的压力容器不进行不连续应力的计算（计算难度大且工作量大、局限性续应力的计算（计算难度大且工作量大、局限性和自限性也降低了不连续应力的危害），仅根据和自限性也降低了不连续应力的危害），仅根据不连续应力的特点进行局部处理；不连续应力的特点进行局部处理； 对由脆性材料制成的压力容器或重要的设备（如对由脆性材料制成的压力容器或重要的设备（如三类容器），必须用有限元程序计算不连续应力。三类容器），必须用有限元程序计算不连续应力。(1)(

46、1) 壳体必须光滑连续壳体必须光滑连续R R1 1、R R2 2、d d 及材质（如及材质（如E E、m m 等）无突变；等）无突变；(2)(2) 壳体上载荷必须连续壳体上载荷必须连续表面力或温度无突变，表面力或温度无突变，无集中力或力矩作用；无集中力或力矩作用；(3)(3) 边界支承（或连接）的边界力只能作用在经线切边界支承（或连接）的边界力只能作用在经线切线方向且无弯矩。线方向且无弯矩。在违背上述三个条件的局部区域内，必然存在较大内弯在违背上述三个条件的局部区域内，必然存在较大内弯矩，无力矩理论不适用，必须用有力距理论分析。矩，无力矩理论不适用，必须用有力距理论分析。 无力矩理论的应用条件

47、无力矩理论的应用条件2.2 2.2 厚壁容器的应力分析厚壁容器的应力分析分析方法：老三步，力平衡分析方法：老三步，力平衡+ +几何方程几何方程+ +物理方程。物理方程。 在弹性力学和板壳理论的基础上，按有力矩在弹性力学和板壳理论的基础上，按有力矩理论的方法处理。但只有一部分相对简单的问题理论的方法处理。但只有一部分相对简单的问题可以得到理论解，而大部分的问题无法得到理论可以得到理论解，而大部分的问题无法得到理论解，此时，只能利用有限元程序包（解，此时，只能利用有限元程序包（i-deasi-deas、pro-epro-e、UGUG、ANSYSANSYS等）来对厚壁容器的应力和变等）来对厚壁容器的

48、应力和变形进行分析。形进行分析。2.2.1 2.2.1 压力载荷引起的弹性应力压力载荷引起的弹性应力采用微元体平衡分析方法。采用微元体平衡分析方法。弹性应力弹性应力压力、温差引起压力、温差引起drrrdrdrdwww0RiRrzipopopipz内外压力作用下厚壁圆筒的应力表达式：内外压力作用下厚壁圆筒的应力表达式： 轴向应力轴向应力 ： 因为变形前后圆筒横截面保持平面，假设其因为变形前后圆筒横截面保持平面，假设其在厚度方向均匀分布在厚度方向均匀分布 2202002iiizRRRpRp周向应力周向应力 ？径向应力？径向应力？平衡方程： 02sin2)(:0dzdrddzrddzddrrdFrr

49、rr几何方程： drdwdrwdwwr)(rwdrdrdwr)(drdrrrdrddrdrdrdrr222物理方程： )(1zrrE)(1zrE)(1rrdrd)()1 (rrE)(1drddrdEdrdr)()1 (rrEdrddrddrdr)()1 (rr=微分方程： 0322drddrdrrr;:;:00pRrpRrriri边界条件： 内外压力内外压力作用下厚壁圆筒的三向应力表达式：作用下厚壁圆筒的三向应力表达式： 周向应力周向应力 径向应力径向应力 轴向应力轴向应力 2220202022020021rRRRRppRRRpRpiiiiii2220202022020021rRRRRppRR

50、RpRpiiiiiir2202002iiizRRRpRp（或对于开式圆筒）0zLameLame公式公式厚壁圆筒应力分布厚壁圆筒应力分布仅受内压时的应力特点仅受内压时的应力特点 ：00p 周向应力：拉应力，三个应力中最周向应力：拉应力，三个应力中最大大, ,且且 径向应力：压应力，且径向应力：压应力，且 轴向应力：拉应力，均匀分布，轴向应力：拉应力，均匀分布，且且 1K2p)(1K1Kp)(2i022ii2rz0)( ,p)(0riir0rz0z20RiRipizp2zz12Kpi 应力分布的不均匀性应力分布的不均匀性： 按按MisesMises 屈服条件屈服条件( (第四强度理论）第四强度理论

51、）仅受内压时的应力特点仅受内压时的应力特点 ：00p21K)()(20i105. 1)()(1 . 1K0i345. 1)()(3 . 1K0isr32s22iK21Kpsi22irp1KK2)(2pKsi，即使0rz0z20RiRipizp2zz12Kpi2.2.2 温度变化引起的弹性热应力温度变化引起的弹性热应力热应力热应力构件热变形受到构件热变形受到外界约束外界约束构件之间热变形构件之间热变形的相互约束的相互约束构件内部温度构件内部温度分布不均匀分布不均匀微元体的热应力微元体的热应力y方向受到刚性约束时的热应力：方向受到刚性约束时的热应力： tEttE12yx和和y方向受到刚性约束时的热

52、应力：方向受到刚性约束时的热应力：1112tEttEyxx 、y 、z方向方向 均受到刚性约束时的热应力：均受到刚性约束时的热应力：212112tEttEzyx厚壁圆筒的热应力厚壁圆筒的热应力12lnln211211lnln1211lnln11222222KKKtEKKKKtEKKKKtErtzrrtrrrt周向热应：周向热应：径向热应：径向热应：轴向热应：轴向热应：* 热应力与温差热应力与温差t成成正比，和温度的绝对正比，和温度的绝对值没有直接的关系。值没有直接的关系。* 壁厚越大，传热阻力越壁厚越大，传热阻力越大，内外壁温差也越大，大，内外壁温差也越大，会导致热应力增大。会导致热应力增大。

53、轴向温度不变，稳轴向温度不变，稳态传热态传热 ,trrr,ttzzz综合应力综合应力内压内压温差温差综合应力分布综合应力分布内压内加热：内壁应力减小，而外壁应力增大，应力状态有可能恶化。 内压外加热：内壁的综合应力增大，而外壁应力减小，应力状态恶化。必须考虑温差应力 内压内加热：内压内加热：内壁应力减小，而外壁应力增内壁应力减小，而外壁应力增大，应力状态有可能恶化。大，应力状态有可能恶化。内压外加热：内压外加热：内壁的综合应力增大，而外壁应力内壁的综合应力增大，而外壁应力减小，应力状态恶化。减小，应力状态恶化。必须考虑温差应力必须考虑温差应力 热应力分布特点热应力分布特点： 1、内外壁处、内外

54、壁处 2、内外壁应力之差：、内外壁应力之差：0trttzttotip23、任意一点应力关系：、任意一点应力关系：trttz温差应力的工程估算：温差应力的工程估算：112ln122KKK112ln12KKtmtzt不计温差应力的条件：不计温差应力的条件：(1)(1) 保温良好；保温良好；(2)(2) 材料已发生蠕变变形；材料已发生蠕变变形；(3) (3) 的内压内加热的容器。的内压内加热的容器。 p1 . 1)tt (t0i设计压力减小热应力的措施减小热应力的措施1、控制设备的加热和冷却速度、控制设备的加热和冷却速度2、控制和减小构件的热变形约束、控制和减小构件的热变形约束3、设置膨胀节、设置膨

55、胀节4、采用良好的保温层、采用良好的保温层减小热应力的措施减小热应力的措施1、控制设备的加热和冷却速度、控制设备的加热和冷却速度2、控制和减小构件的热变形约束、控制和减小构件的热变形约束3、设置膨胀节、设置膨胀节4、采用良好的保温层、采用良好的保温层2.2.3 厚壁容器材料的有效利用厚壁容器材料的有效利用 厚壁内压容器在承受压力时，内部材料先于厚壁内压容器在承受压力时，内部材料先于外部材料进入塑性状态，由此提出两个问题：一外部材料进入塑性状态，由此提出两个问题：一是容器的失效判定，二是材料的有效利用问题。是容器的失效判定，二是材料的有效利用问题。 第一个问题涉及容器设计的强度理论，第二第一个问

56、题涉及容器设计的强度理论，第二个问题涉及容器的合理结构和材料的配置使用问个问题涉及容器的合理结构和材料的配置使用问题。题。厚壁圆筒的自增强厚壁圆筒的自增强 厚壁圆筒使用前，用超过工作压力的压力厚壁圆筒使用前，用超过工作压力的压力进行进行超压处理超压处理，使圆筒发生弹塑性变形，卸除，使圆筒发生弹塑性变形，卸除压力后保留残余应力，工作时残余应力和工作压力后保留残余应力，工作时残余应力和工作应力叠加，使圆筒应力分布趋于均匀，提高圆应力叠加，使圆筒应力分布趋于均匀，提高圆筒的筒的弹性承载能力弹性承载能力。2.2.4 平板应力分析平板应力分析(1)(1)应用：应用：平盖、人（手）孔盖、管板、法兰环、矩形

57、容器器壁(2)(2) 形式：形式：圆形、圆环形、椭圆形、矩形（3 3）变形特征变形特征轴对称横向载荷下，圆形薄板双轴对称横向载荷下，圆形薄板双向弯曲。向弯曲。周向弯曲径向弯曲周向弯曲径向弯曲（4 4）圆平板应力分析主要考虑：）圆平板应力分析主要考虑：轴对称横向载荷、轴对称横向载荷、小挠度圆形薄板的应力和变形小挠度圆形薄板的应力和变形P (r)Rrw中性面假设中性面假设：纯弯曲问题；：纯弯曲问题；直法线假设直法线假设：中面的法线变形后仍为直线，：中面的法线变形后仍为直线，且且于中面；于中面；不挤压假设不挤压假设：板内垂直于板面的正应力不予：板内垂直于板面的正应力不予考虑，且不计应变。考虑，且不计

58、应变。 上述假定统称为克希霍夫（上述假定统称为克希霍夫（KirchhoffKirchhoff）假定。）假定。 wz5 5）弹性薄板小挠度理论的基本假设：）弹性薄板小挠度理论的基本假设：0z(6) 分析过程：分析过程：力平衡方程力平衡方程 几 何 方 程几 何 方 程圆板轴对称弯曲的基本微分方程圆板轴对称弯曲的基本微分方程物 理 方 程物 理 方 程根据特定边界条件，求解圆板轴对称弯曲的基本微分根据特定边界条件，求解圆板轴对称弯曲的基本微分方程得挠度方程得挠度w w，于是有：，于是有：zMrr312径向应力径向应力)1(22drdwrdrwdDM周向弯矩周向弯矩MqMqzM312周向应力周向应力

59、)231 (12ED其中其中为圆板抗弯刚度。为圆板抗弯刚度。)(M22rdrdwrdrwdD径向弯矩径向弯矩M Mr rzMrr312径向应力径向应力)(M22rdrdwrdrwdD径向弯矩径向弯矩MrMr)1(22drdwrdrwdDM周向弯矩周向弯矩MqMqzM312周向应力周向应力DQdrdrdrdrdrdr1CdrprrQzr22zrrpdrrQd)(联立边联立边界条件界条件求解求解w)drwddrdwr1(1Ez)drdwrdrwd(1Ez222222r圆平板中的应力圆平板中的应力确定边界条件？确定边界条件？周边固支圆平板周边固支圆平板Wmax=?板上、下表面处（板上、下表面处（zt

60、/2)：max在哪儿？周边简支圆平板周边简支圆平板板上、下表面处（板上、下表面处（zt/2)：max在哪儿？支承方式对变形和应力的影响：支承方式对变形和应力的影响： 在其它条件相同的情况下，周边固定圆平板在其它条件相同的情况下，周边固定圆平板的最大应力小于周边简定圆平板的最大应力，只的最大应力小于周边简定圆平板的最大应力，只约为后者的约为后者的2/3；前者的最大变形也仅为后者的；前者的最大变形也仅为后者的1/4。2.2.5 有限元方法有限元方法有限单元法：把连续的实体（无限多自由度）离散有限单元法：把连续的实体（无限多自由度）离散为有限多个单元实体的集合（有限多自由度），为有限多个单元实体的集