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1、第二章第二章 压力容器应力分析压力容器应力分析第六节 典型局部应力CHAPTER CHAPTER STRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELSSTRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELS12.6.1 概述概述2.6.2 受内压壳体与接管连接处的局部应力受内压壳体与接管连接处的局部应力主要内容主要内容2.6.3 降低局部应力的措施降低局部应力的措施2.6 典型局部应力22.6.1 概述概述1、局部应力的产生、局部应力的产生 局部载荷局部载荷通过管道传递的载荷通过管道传递的载荷支座反力支座反力局部温度变化引起的载荷局部温度变化引起的载荷材料、结构
2、和载荷不连续处，材料、结构和载荷不连续处，在局部区域产生的附加应力在局部区域产生的附加应力不连续不连续2.6典型局部应力32、局部应力的局部应力的危害性危害性与与材料韧性材料韧性载荷载荷大小大小加载方式加载方式有关有关危害性危害性过大的局部应力使结构处于不安定状态；过大的局部应力使结构处于不安定状态；在交变载荷下，易产生裂纹，可能导致在交变载荷下，易产生裂纹，可能导致疲劳失效。疲劳失效。2.6 典型局部应力42.6.2 受内压壳体与接管连接处的局部应力受内压壳体与接管连接处的局部应力 由于几何形状及尺寸的突变，受内压壳体与接管连接处附由于几何形状及尺寸的突变，受内压壳体与接管连接处附近的局部范
3、围内会产生较高的不连续应力。近的局部范围内会产生较高的不连续应力。5工程常用方法工程常用方法 应力集中系数法应力集中系数法数值解法数值解法实验测试法实验测试法经验公式经验公式2.6 典型局部应力理论分析方法理论分析方法薄膜解薄膜解弯曲解弯曲解6一、应力集中系数法一、应力集中系数法一、应力集中系数法一、应力集中系数法1、应力集中系数、应力集中系数 Kt max受内压壳体与接管连接处的最大弹性应力受内压壳体与接管连接处的最大弹性应力 该壳体不开孔时的环向薄膜应力该壳体不开孔时的环向薄膜应力通过应力集中系数曲线图查通过应力集中系数曲线图查Kt，就可得到最大应力，就可得到最大应力2.6 典型局部应力7
4、应力集中系数曲线应力集中系数曲线89图中图中 是开孔系数，是开孔系数，r 接管平均半径，接管平均半径，R壳体平均半径，壳体平均半径，T壳体壁厚壳体壁厚为边缘效应的衰减长度。为边缘效应的衰减长度。故开孔系数故开孔系数 表示开孔大小和壳体局部应力表示开孔大小和壳体局部应力衰减长度的比值衰减长度的比值2.6 典型局部应力10Kt随着开孔系数的增大而增大随着开孔系数的增大而增大随壁厚比随壁厚比t/T的增大而减小的增大而减小内伸式接管的应力集中系数较小内伸式接管的应力集中系数较小降低应力集中系数措施：降低应力集中系数措施：增大接管、壳体的壁增大接管、壳体的壁厚；合理布置接管；在有效补强范围内补强厚；合理
5、布置接管；在有效补强范围内补强 2.6 典型局部应力应力集中系数曲线使用范围：应力集中系数曲线使用范围：0.010.01 0.40.4 30 30 1501501112椭圆形封头上接管连接处的局部应力，椭圆形封头上接管连接处的局部应力，只要将椭圆曲率半径折算成球的半径，只要将椭圆曲率半径折算成球的半径，就可采用球壳上接管连接处局部应力的计算方法。就可采用球壳上接管连接处局部应力的计算方法。2.6 典型局部应力1314应应力力指指数数是是所所考考虑虑的的各各应应力力分分量量与与壳壳体体在在无无开开孔孔接接管管时时的的环环向向应应力力之之比。比。应应力力指指数数法法已已列列入入中中国国、美美国国、
6、日日本本等等国国家家压压力力容器容器分析设计标准分析设计标准。见钢制压力容器见钢制压力容器分析设计标准分析设计标准P1592、应力指数法、应力指数法1516二、经验公式二、经验公式二、经验公式二、经验公式用无因次参量表示应力集中系数用无因次参量表示应力集中系数Decock 公式公式2.6典型局部应力Rodavaugh公式公式17三、数值计算三、数值计算三、数值计算三、数值计算 应力数值计算的方法比较多，如差分法、变分法、有限应力数值计算的方法比较多，如差分法、变分法、有限单元法和边界元法等。但目前使用最广泛的是有限单元法。单元法和边界元法等。但目前使用最广泛的是有限单元法。有限单元法的基本思路
7、：有限单元法的基本思路：将连续体离散为有限个单元的组合体，以单元结点的参将连续体离散为有限个单元的组合体，以单元结点的参量为基本未知量，单元内的相应参量用单元结点上的数值插量为基本未知量，单元内的相应参量用单元结点上的数值插值，将一个连续体的无限自由度问题变成有限自由度的问题，值，将一个连续体的无限自由度问题变成有限自由度的问题，再利用整体分析求出未知量。显然，随着单元数量的增加，再利用整体分析求出未知量。显然，随着单元数量的增加，解的近似程度将不断改进，如单元满足收敛要求，近似解也解的近似程度将不断改进，如单元满足收敛要求，近似解也最终收敛于精确解。最终收敛于精确解。2.6 典型局部应力18
8、19四、应力测试四、应力测试四、应力测试四、应力测试实验应力分析方法直接测量计算部位的应力，实验应力分析方法直接测量计算部位的应力，是验证计算结果可靠性的有效方法。是验证计算结果可靠性的有效方法。常用实验应力分析方法常用实验应力分析方法电测法电测法光弹性法光弹性法2.6 典型局部应力20应力测试应力测试电测法电测法2122光弹性法光弹性法光学应力测量方法光学应力测量方法光弹性原理光弹性原理相似理论相似理论232.6.3 降低局部应力的措施降低局部应力的措施方法方法合理的结构设计合理的结构设计减少附件传递的局部载荷减少附件传递的局部载荷尽量减少结构中的缺陷尽量减少结构中的缺陷2.6 典型局部应力
9、24一、合理的结构设计一、合理的结构设计一、合理的结构设计一、合理的结构设计（1 1）减少两连接件的刚度差）减少两连接件的刚度差）减少两连接件的刚度差）减少两连接件的刚度差（2 2）尽量采用圆弧过渡）尽量采用圆弧过渡）尽量采用圆弧过渡）尽量采用圆弧过渡（3 3）局部区域补强）局部区域补强）局部区域补强）局部区域补强（4 4）选择合适的开孔方位）选择合适的开孔方位）选择合适的开孔方位）选择合适的开孔方位2.6 典型局部应力25（1）减少两连接件的刚度差）减少两连接件的刚度差两连接件变形不协调会引起边缘应力。两连接件变形不协调会引起边缘应力。壳体的刚度与材料的弹性模量、曲率半径、壁厚等因素有关。壳
10、体的刚度与材料的弹性模量、曲率半径、壁厚等因素有关。设法减少两连件的刚度差，是降低边缘应力的有效措施之一。设法减少两连件的刚度差，是降低边缘应力的有效措施之一。2.6 典型局部应力26举例27（2）尽量采用圆弧过渡：）尽量采用圆弧过渡：几何形状或尺寸的突然改变是产生应力集中的主要原因之一。几何形状或尺寸的突然改变是产生应力集中的主要原因之一。在结构不连续处应尽可能采用圆弧或经形状优化的特殊曲线过在结构不连续处应尽可能采用圆弧或经形状优化的特殊曲线过渡。渡。2.5 典型局部应力28举例29举例30（3）局部区域补强：）局部区域补强：在有局部载荷作用的壳体处，适当给以补强。在有局部载荷作用的壳体处
11、，适当给以补强。例如，壳体与吊耳的连接处、卧式容器与鞍式支座例如，壳体与吊耳的连接处、卧式容器与鞍式支座连接处，在壳体与附件之间加一块垫板，可以有效连接处，在壳体与附件之间加一块垫板，可以有效地降低局部应力。地降低局部应力。2.5 典型局部应力31举例32举例33（4）选择合适的开孔方位：）选择合适的开孔方位：根据载荷的情况，选择适当的开孔位置、方向和形状。根据载荷的情况，选择适当的开孔位置、方向和形状。如椭圆孔的长轴应与开孔处的最大应力方向平行，孔尽量开如椭圆孔的长轴应与开孔处的最大应力方向平行，孔尽量开在原来应力水平比较低的部位，以降低局部应力。在原来应力水平比较低的部位，以降低局部应力。
12、2.5 典型局部应力34二、减少附件传递的局部载荷二、减少附件传递的局部载荷二、减少附件传递的局部载荷二、减少附件传递的局部载荷 如果对与壳体相连的附件采取一定的措施，就可以减少附如果对与壳体相连的附件采取一定的措施，就可以减少附件所传递的局部载荷对壳体的影响，从而降低局部应力。件所传递的局部载荷对壳体的影响，从而降低局部应力。例如：例如：对管道、阀门等设备附件设置支撑或支架，可降低这对管道、阀门等设备附件设置支撑或支架，可降低这 些附件的重量对壳体的影响；些附件的重量对壳体的影响；对接管等附件加设热补偿元件可降低因热胀冷缩所产对接管等附件加设热补偿元件可降低因热胀冷缩所产 生的热载荷。生的热载荷。2.5 典型局部应力35三、三、三、三、尽量减少结构中的缺陷尽量减少结构中的缺陷尽量减少结构中的缺陷尽量减少结构中的缺陷 在压力容器制造过程中，由于制造工艺和具体操作等在压力容器制造过程中，由于制造工艺和具体操作等原因，可能在容器中留下气孔、夹渣、未焊透等缺陷，这原因，可能在容器中留下气孔、夹渣、未焊透等缺陷，这些缺陷会造成较高的局部应力，应尽量避免。些缺陷会造成较高的局部应力，应尽量避免。2.5 典型局部应力36举例37举例38讨论讨论 n影响圆柱形容器开孔接管处最大应力的影响圆柱形容器开孔接管处最大应力的因素有哪些？因素有哪些？39