章內壓薄壁容器的應力

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1、1第三章內壓薄壁容器的應力分析3.1回轉殼體的應力分析——薄膜理論簡介3.1.1薄壁容器及其應力特點化工容器和化工設備的外殼,一般都屬于薄壁回轉殼體:S/Di<0.1或D0/Di≤1.2在介質壓力作用下殼體壁內存在環(huán)向應力和經(軸)向應力。2薄膜理論與有矩理論概念:計算殼壁應力有如下理論:(1)無矩理論,即薄膜理論。假定殼壁如同薄膜一樣,只承受拉應力和壓應力,完全不能承受彎矩和彎曲應力。殼壁內的應力即為薄膜應力。3(2)有矩理論。殼壁內存在除拉應力或壓應力外,還存在彎曲應力。在工程實際中,理想的薄壁殼體是不存在的,因為即使殼壁很薄,殼體中還會或多或少地存

2、在一些彎曲應力,所以無矩理論有其近似性和局限性。由于彎曲應力一般很小,如略去不計,其誤差仍在工程計算的允許范圍內,而計算方法大大簡化,所以工程計算中常采用無矩理論。43.1.2基本概念與基本假設1.基本概念回轉殼體——由直線或平面曲線繞其同平面內的固定軸旋轉3600而成的殼體?;剞D殼體的形成5幾個典型回轉殼體6軸對稱——指殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都對稱于回轉軸。與殼體內外表面等距離的曲面——中間面母線:——即那條平面曲線7法線:經線:過經線任一點垂直中間面的直線過軸線的平面與中間面的交線緯線(平形圓):作圓錐面與殼體中間面正交,所得交線。8第一

3、曲率半徑第二曲率半徑92.基本假設:(1)小位移假設。殼體受壓變形,各點位移都小于壁厚。簡化計算。(2)直法線假設。沿厚度各點法向位移均相同,即厚度不變。(3)不擠壓假設。沿壁厚各層纖維互不擠壓,即法向應力為零。103.1.3經向應力計算——區(qū)域平衡方程11經向應力計算公式:(MPa)式中sm---經向應力;p-----介質內壓,(MPa);R2-------第二曲率半徑,(mm);S--------殼體壁厚,(mm)。123.1.4環(huán)向應力計算——微體平衡方程13環(huán)向應力計算公式——微體平衡方程式中sm---經向應力(MPa);sq---環(huán)向應力(MP

4、a);R1----第一曲率半徑(mm);R2----第二曲率半徑(mm);p----介質壓力(MPa);S----殼體壁厚(mm)。143.1.5薄膜理論的應用范圍1.材料是均勻的,各向同性的。厚度無突變,材料物理性能相同;2.軸對稱——幾何軸對稱,材料軸對稱,載荷軸對稱,支撐軸對稱;3.連續(xù)——幾何連續(xù),載荷(支撐)分布連續(xù),材料連續(xù)。4.殼體邊界力在殼體曲面的切平面內。無橫向剪力和彎距作用,自由支撐等;15典型殼體受氣體內壓時存在的應力:——環(huán)向應力——經向應力圓錐殼體圓柱殼體——經向應力——環(huán)向應力163.2薄膜理論的應用3.2.1.受氣體內壓的圓

5、筒形殼體式中R2=D/2則2.環(huán)向應力:由式中p,S為已知,而R1=∞,帶入上式,解得!圓筒體上任一點處,1.經向應力:圓柱殼壁內應力分布動腦筋???(A)(B)(C)×√×韌性破壞-照片實例圓柱殼應力分布結論1、σθ=2σm圓柱殼的縱向截面是薄弱截面。2、圓柱殼的承壓能力取決于厚徑比(S/D),并非厚度越大承壓能力越好。223.2.2.受氣體內壓的球形殼體用場:球形容器,半球形封頭,無折邊球形封頭等。23半球形封頭無折邊球形封頭半球形封頭無折邊球形封頭25※條件相同時,球殼內應力與圓筒形殼體的經向應力相同,為圓筒殼內環(huán)向應力的一半。球殼的R1=R2,則

6、球殼應力分布結論1、球殼各點σθ=σm說明球殼的薄膜應力分布十分均勻。2、在載荷和幾何條件相同的情況下,球殼的最大應力只是圓柱殼的一半,故球殼的承壓能力比圓柱殼好。273.2.3受氣體內壓的橢球殼用場:橢圓形封頭。成型:1/4橢圓線繞同平面Y軸旋轉而成。橢圓形封頭(橢球殼)29橢球殼的長半軸——a短半軸——b橢球殼頂點坐標:(0,b)邊緣坐標:(a,0)30橢球殼應力計算公式:應力分布分析:x=0,即橢球殼的頂點處x=a,即橢球殼的邊緣處,※sm是常量,sq是a/b的函數。即受橢球殼的結構影響。※兩向應力相等,均為拉應力。31標準橢球殼的應力分布標準橢球

7、殼指a/b=21.橢球殼的幾何是否連續(xù)?2.環(huán)向應力在橢球殼與圓筒殼連接點處有突變,為什麼?橢球殼應力分布幾點結論1、橢球殼上各點應力大小與點的坐標(x,y)有關2、橢球殼上各點應力大小及分布狀況與a/b有關3、σm恒為正,最大值在頂點,最小值在赤道。σθ在頂點恒為正,在赤道有大于零、等于零、小于零三種情況。333.2.4受氣體內壓的錐形殼體①.用場:容器的錐底封頭,塔體之間的變徑段,儲槽頂蓋等。錐形封頭35②.應力計算錐殼上任一點A處的應力計算公式:R1=∞R2=r/cosa式中r---A點的平行圓半徑;α---半錐角,S---錐殼壁厚。由薄膜理論公式

8、得※應力大小與r成正比,最大r為D/2,則最大應力為:36③.錐殼的應力分布1.

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