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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 IIIISTRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELSSTRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELS1过程设备设计过程设备设计2.6.1 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 2.6 典型局部应力典型局部应力典型局部应力典型局部应力23过程设备设计过程设备设计2.6.1 2.6.1 概述概述概述概述1、局部应力的产生、局部应力的产生
2、 局部载荷局部载荷设备的自重、设备的自重、物料的重量、物料的重量、管道及附件的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等温度变化引起的载荷等在压力作用下，压力容器材料在压力作用下，压力容器材料或结构不连续处，在局部区域或结构不连续处，在局部区域产生的附加应力，如截面尺产生的附加应力，如截面尺寸、几何形状突变的区域、两寸、几何形状突变的区域、两种不同材料的连接处等种不同材料的连接处等附加应力附加应力4过程设备设计过程设备设计2、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形式载荷形式大小大小载荷作用处的载荷作用处的局部结构形状局部结构形状和尺寸和尺寸
3、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。3、局部应力的特点局部应力的特点:a.非对称性非对称性 计算复杂计算复杂b.局部性局部性5过程设备设计过程设备设计 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。2.6.2 2.6.2 2.6.2 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受内压壳体与接管
4、连接处的局部应力受内压壳体与接管连接处的局部应力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过程设备设计过程设备设计一、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，既而得到最大应力既而得到最大应力7图图图图2-46 2-46 2-46
5、2-46 球壳带平齐式接管的应力集中系数曲线球壳带平齐式接管的应力集中系数曲线球壳带平齐式接管的应力集中系数曲线球壳带平齐式接管的应力集中系数曲线8910过程设备设计过程设备设计图中图中: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11过程设备设计过程设备设计Kt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
6、管的应力集中系数较小即：增大接管和壳体的壁厚，减小接管半径，即：增大接管和壳体的壁厚，减小接管半径，有利于降低应力集中系数有利于降低应力集中系数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 15015012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。(R=K1DO)曲线推广：曲线推广：前提：前提：仅考虑仅考虑 应力集中应力集中13过程设备设计过程设备设计 与应力集中系数曲
7、线不同的是考虑了与应力集中系数曲线不同的是考虑了连接处的三向应力：经向应力、径向连接处的三向应力：经向应力、径向应力和法向应力应力和法向应力 （见图（见图2-492-49）；）；应力指数应力指数:是所考虑的各应力分量与壳体在无开孔接管时是所考虑的各应力分量与壳体在无开孔接管时 的环向应力之比。的环向应力之比。应力指数法应力指数法:已列入中国、美国、日本等国家压力容器已列入中国、美国、日本等国家压力容器 分析设计标准。分析设计标准。2、应力指数法、应力指数法前提：前提：仅考虑仅考虑 应力集中应力集中14过程设备设计过程设备设计二、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
8、中系数Rodavaugh 和Decock 公式，分别具有各自的使用范围。15过程设备设计过程设备设计三、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：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
9、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。16过程设备设计过程设备设计四、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
10、方法电测法电测法光弹性法光弹性法测试机理及测试机理及 特点参见教材特点参见教材P7317过程设备设计过程设备设计2.6.3 2.6.3 降低局部应力的措施降低局部应力的措施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18过程设备设计过程设备设计一、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
11、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19过程设备设计过程设备设计（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。20过程设备设计过程设备设计（2 2
12、）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：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。21过程设备设计过程设备设计（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：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，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
13、，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。22过程设备设计过程设备设计（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：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。23二、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
14、部载荷过程设备设计过程设备设计 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。24过程设备设计过程设备设计三、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。25