圆筒设计（外压）解析ppt课件.ppt

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1、过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,工程设计方法,主要内容,加强圈的设计计算,有关设计参数的规定,圆筒轴向许用应力的确定,图算法原理,难点,重点,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,复习,p,p,p,a,b,c,受周向均匀外压薄壁回转壳体的弹性失稳问题,临界压力,失稳现象,外载荷达到某一临界值，发生径向挠曲，并迅速增加，沿周向出现压扁或波纹。,壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，用Pcr表示。,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,外压圆筒分成三类：,长圆筒,两端的边界影响可以忽略，压瘪时波数 n=2 ，临界压力Pcr仅与t / Do有

2、关，而与L/Do无关。,短圆筒,两端的边界影响显著，压瘪时波数为 n2 的正整数， Pcr不仅与t / Do有关，而且与L/Do有关。,刚性圆筒,这种壳体的L/Do较小，而t / Do较大，故刚性较好。其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料屈极限所致。计算时，只要满足强度要求即可。,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,长圆筒临界压力：,（2-97）,（2-92）,短圆筒临界压力：,临界长度Lcr ：,（2-98）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,一、解析法求取外压容器许用压力,假设筒体的名义厚度n；,计算有效厚度e

3、；,求出临界长度Lcr，将圆筒的外压计算长度L与Lcr进行 比较，判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒；,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,比较设计压力 p 和 p 的大小。若pp且较为接近， 则假设的名义厚度n符合要求；否则应重新假设n， 重复以上步骤，直到满足要求为止。,特点：反复试算,4.3.2.4 外压圆筒设计,选取合适的稳定性安全系数m，计算许用外压p=,根据圆筒类型，选用相应公式计算临界压力 Pcr；,解析法求取外压容器许用压力,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,假设：圆筒仅受径向均匀外压，而不受轴向外压，与圆环一 样处于单向（周向）应力状态。,厚度 t 改为有效厚度e

4、，得：,二、图算法原理（标准规范采用）,将式,（2-92）,（2-97）,4.3.2.4 外压圆筒设计,难点,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,长圆筒临界压力,短圆筒临界压力,4.3.2.4 外压圆筒设计,二、图算法原理（续）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,（4-21）,不论长圆筒或短圆筒，失稳时周向应变（按单向应力时的虎克定律）为：,为避开材料的弹性模量E（塑性状态为变量），采用应变表征失稳时的特征。,圆筒在Pcr作用下，产生的周向应力,二、图算法原理（续）,代入长圆筒、短圆筒临界压力公式,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,将长

5、、短圆筒的Pcr公式分别代入应变式中，得,长圆筒,（4-22）,短圆筒,（4-23）,（4-24）,4.3.2.4 外压圆筒设计,二、图算法原理（续）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,（1）几何参数计算图： L/DoDo/eA 关系曲线,4.3.2.4 外压圆筒设计,与材料弹性模量E无关，对任何材料的筒体都适用,注意,二、图算法原理（续）,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,图4-6 外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图（用于所有材料）,cr,特点,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,（2）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线,已知 L/Do，Do

6、/e,查几何算图,周向应变A（横坐标）,找出APcr 的关系（类似于crcr）,判定筒体在操作外压力下是否安全,（图4-6）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,临界压力Pcr，稳定性安全系数m，许用外压力p，故 pcr=mp,代入式（4-21）整理得：,（4-21）,（2）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线（续）,二、图算法原理（续）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,（4-25）,GB150， ASME -1 均取m=3，代入上式得：,（2）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线（续）,二、图算法原理（续）,4.

7、3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,（2）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线（续）,若利用材料单向拉伸应力应变关系对于钢材（不计Bauschinger效应） ，拉伸曲线与压缩曲线大致相同，将纵坐标乘以 2/3，即可作出B与A的关系曲线。,二、图算法原理（续）,以A和B为坐标轴得厚度计算图（以为基础） ，图4-7图4-9 为几种常用钢材的厚度计算图。 温度不同，曲线不同。,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,二、图算法原理（续）,系数A=cr,系数B/MPa,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,二、图算法原理（续）

8、,系数B/MPa,系数A=cr,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,二、图算法原理（续）,系数A=cr,系数B/MPa,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,（2）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线（续）,二、图算法原理（续）,过程设备设计,三、工程设计方法,4.3.2.4 外压圆筒设计,重点,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,1、Do/e20 薄壁筒体，稳定性校核：,a.假设名义厚度n，令e=n-C，算出L/Do和Do/e；,b.以L/Do、Do/e值由图4-6查取A值，若L/Do值大于50， 则用L/Do=50查取A值；,4.3.2.4 外压圆筒设计,三、工程设计

9、方法（续）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,（4-26）,（4-27）,c. 由材料选厚度计算图（图4-7图4-9）,温度对应的E线在图上没有时，插值,系 数 A,设计温度,根据,4.3.2.4 外压圆筒设计,三、工程设计方法（续）,B,与厚度图有交点,与厚度图无交点A在材料线左方,图4-10 图算法求解过程,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,三、工程设计方法（续）,几何参数图,厚度计算图,过程设备设计,d.,cp且较接近假设的名义厚度n合理,cp假设n不合理,4.3.2.4 外压圆筒设计,三、工程设计方法（续）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,d.,cp且较

10、接近假设的名义厚度n合理,cp假设n不合理,4.3.2.4 外压圆筒设计,三、工程设计方法（续）,重设n，直到满足,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,但对Do/e4.0的筒体，应按式（4-28）求A值。,2、Do/e20 厚壁筒体,（4-28）,有交点，从图中查B值,4.3.2.4 外压圆筒设计,三、工程设计方法（续）,查 B,无交点,求取B值的计算步骤同Do/e20的薄壁筒体；,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,为满足强度，厚壁圆筒许用外压力应不低于式（4-30）值,（4-30）,防止圆筒体的失稳和强度失效，厚壁筒体的许用外压力必须取式（4-29）和式（4-30）中的较小

11、值。,4.3.2.4 外压圆筒设计,三、工程设计方法（续）,为满足稳定性，厚壁圆筒许用外压力应不低于式（4-29）值,（4-29）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,（1）假设n，令e=n-C，按式（4-31）计算系数A,四、圆筒体轴向许用压应力的确定,（4-31）,（2）选用相应材料的厚度计算图查取B，此B值即为cr。 若A值落在设计温度下材料线的左方，则表明筒体属于 弹性失稳，可直接由式（4-32）计算。,（4-32）,设筒体最大许用压应力cr=B，求系数B步骤如下：,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备

12、设计,五、有关设计参数的规定,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,定义与内压容器相同，取值方法不同。,外压容器设计压力：考虑正常工作情况下可能出现的最大内外压力差；,真空容器设计压力：按承受外压考虑，当装有安全控制装置时（如真空泄放阀），设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1 MPa两者中的较小值；当无安全控制装置时，取0.1MPa。,带夹套容器:考虑可能出现最大压差的危险工况，如内压容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差。,（1）设计压力P,4.3.2.4 外压圆筒设计,五、有关设计参数的规定（续）,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计

13、,过程设备设计,特殊要求：形状偏差（取m3的同时）如GB150规定，受外压及真空的圆筒体在同一断面一定弦长范围内，实际形状与真正圆形之间的正负偏差不得超过一定值，具体规定可参见文献2。,GB150规定： 圆筒体，m 取 3.0； 球壳， m 取 14.52。,4.3.2.4 外压圆筒设计,五、有关设计参数的规定（续）,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,（3）外压计算长度L,计算长度：筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离。 刚性构件：封头、法兰、加强圈等。,图4-11为外压计算长度取法示意图,取法：,4.3.2.4 外压圆筒设计,五、有关设计参数的规定（续）,4.3.2.4 外压

14、圆筒设计,过程设备设计,将长圆筒转化为短圆筒，可以有效地减小筒体厚度、提高筒体稳定性。,六、加强圈的设计计算,目的,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,当圆筒的e/Do已知，且计算外压pc值给定时，可由短圆 筒许用外压力计算公式导出加强圈的最大间距，即,1.加强圈的间距,设置加强圈，必须使其属于短圆筒才有实际作用。,（4-33）,结论：,4.3.2.4 外压圆筒设计,由（4-33），加强圈数量增多，Lmax值减小，筒体厚度减薄；反之，筒体厚度须增加。,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,2.加强圈截面尺寸的确定,方法思路,目 的,增强筒壁截面的抗弯

15、曲能力,通过增加截面惯性矩 I 来提高筒壁截面的抗弯曲能力，满足 Is大于并接近I,I保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩,Is加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,图4-12 每个加强圈 所承受的载荷,保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩I：,（4-38）,Ls从加强圈中心线到相临两侧加强圈中心线距离之和的一 半；若与凸型封头相邻，在长度中还应计入封头曲面深 度的 1/3，mm,As单个加强圈的截面积，mm2，手册查得,A系数，按下述方法求得,4.3.2.4 外压圆筒

16、设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,根据已知的Pc、Do和选择的e、Ls，按下式计算当量圆筒周向失稳时的B值：,（4-39）,按相应材料的厚度计算图，由B 查A。,如果查图时无交点，则,A带入式4-38中，就得到 I,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,A系数,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,c. 按相应材料的厚度计算图，由B值查取A值（若查 图时无交 点，则按A= 计算）,e. 比较Is和I，若Is大于并接近I，则满足要求，否则应重新选 择加强圈尺寸，重复上述计算，直至满

17、足要求为止。,d. 把查得的A值代入式（4-38）中，求得所需的最小惯性矩I。,注解：和前面介绍的圆筒体稳定性计算相比，求解A的过程刚 好和假定筒体厚度求其许用外压力的过程相反。在加强 圈设计时，通常是已知加强圈欲承受的外压力pc，而求 解其所需惯性矩。,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,3.加强圈的结构设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,材料：多为碳素钢。 筒体为贵重金属，在筒体外部设置碳素钢加强圈， 节省贵重金属。,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,加强圈两侧的间断焊缝可错开或并排，但焊缝之间 的最大间隙对外加强圈为8n，对内加强圈12n （n为筒体的名义厚度）。,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,要求：,3.加强圈的结构设计(续),#加强圈应整圈围绕在筒体的圆周上，不许任意削弱 或割断。#设置在内部的加强圈，若开设排液孔、排气孔，削 弱或割断的弧长不得大于图4-14 所给定的值。,4.3.2.4 外压圆筒设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,过程设备设计,4.3.2.4 外压圆筒设计,