1、過程設備設計過程裝備與控制工程專業核心課程過程設備過程設備？專業：過程裝備與控制專業：過程裝備與控制裝備：裝備：過程機器過程機器能量轉換裝置：如泵、壓縮機、風機能量轉換裝置：如泵、壓縮機、風機過程設備過程設備各種化學反應、單元操作所需設備，各種化學反應、單元操作所需設備， 如：精餾塔、干燥塔、反應塔、換熱器如：精餾塔、干燥塔、反應塔、換熱器設計設計？ 有目的、有約束的工程設計！有目的、有約束的工程設計！目目 錄錄 緒論緒論1壓力容器導言壓力容器導言2壓力容器應力分析壓力容器應力分析3壓力容器材料及環境和時間對其性能的影響壓力容器材料及環境和時間對其性能的影響4壓力容器設計壓力容器設計5儲存設備

2、儲存設備6換熱設備換熱設備7塔設備塔設備幾點說明：幾點說明：1、本專業最核心的專業課，為本專業的、本專業最核心的專業課，為本專業的“飯碗飯碗”。2、本專業最獨特的專業課、本專業最獨特的專業課其它專業學生都不學。其它專業學生都不學。3、其核心內容、其核心內容壓力容器壓力容器 非常廣泛地使用于工業和非常廣泛地使用于工業和 民用領域。民用領域。2、控制方向和裝備方向的必修課。、控制方向和裝備方向的必修課。3、本專業的考研課程之一，也是非本專業研究生一、本專業的考研課程之一，也是非本專業研究生一 般都需選修的課程。般都需選修的課程。緒論緒論10個問題：個問題：（1） 產品的分類產品的分類 硬件產品（硬

3、件產品（hardware) 軟件產品軟件產品(software) 流程性產品流程性產品(processed material)（2）過程工業的概念）過程工業的概念 過程工業是指包括過程工業是指包括:化工化工輕工輕工煉油煉油食品食品制藥制藥冶金冶金能源能源 等行業在內的工業。等行業在內的工業。煉油廠設備煉油廠設備（3）過程工業的特點）過程工業的特點 a. 屬于生產流程性材料產品的制造業屬于生產流程性材料產品的制造業 b. 生產過程為流程性的生產過程為流程性的 例：合成氨工業例：合成氨工業 造氣、凈化、合成三大部分組成。造氣、凈化、合成三大部分組成。 c.處理的物料以流體、粉體為主處理的物料以流體

4、、粉體為主（4）過程裝備）過程裝備 過程裝備過程裝備 過程機器過程機器 過程設備過程設備 過程機器過程機器壓縮機、泵、分離機、風機等。壓縮機、泵、分離機、風機等。 完成其功能的主要部件為轉動或平動完成其功能的主要部件為轉動或平動 ！ 過程設備過程設備塔器、傳熱設備、反應器、儲罐等塔器、傳熱設備、反應器、儲罐等 完成其功能的主要部件不運動！完成其功能的主要部件不運動！幾個身邊的例子：鍋爐、油罐車、壓力鍋幾個身邊的例子：鍋爐、油罐車、壓力鍋.（5）工藝與裝備的關系）工藝與裝備的關系 “工藝是先導，裝備是保障工藝是先導，裝備是保障”。例：余國琮例：余國琮 院士院士啟示：只有既懂工藝，又懂裝備與控制，

5、才可能成啟示：只有既懂工藝，又懂裝備與控制，才可能成為合格的過程工業的工程師。為合格的過程工業的工程師。 （6） 過程系統過程系統 工藝工藝+裝備裝備+控制控制+技術經濟學技術經濟學+（7） 過程工業的主要發展領域過程工業的主要發展領域過程原理與技術的創新過程原理與技術的創新 主要包括三傳一反原理與技術的創新。主要包括三傳一反原理與技術的創新。成套裝置技術的創新成套裝置技術的創新 從系統工程的角度研究裝備技術的創新。從系統工程的角度研究裝備技術的創新。過程裝備放大技術的創新過程裝備放大技術的創新 規?；沁^程工業的發展趨勢。規?；沁^程工業的發展趨勢。 過程裝備結構技術的創新過程裝備結構技術的

6、創新 具有優良性能的新結構技術。具有優良性能的新結構技術。 過程裝備設計理論和手段的創新過程裝備設計理論和手段的創新 如熱經濟學優化設計理論、強度理論、失效判斷如熱經濟學優化設計理論、強度理論、失效判斷理論等；計算機輔助設計理論等；計算機輔助設計(CAE)軟件包（軟件包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）。等）。 過程裝備材料技術的創新過程裝備材料技術的創新 陶瓷材料、納米材料、復合材料等的技術創新。陶瓷材料、納米材料、復合材料等的技術創新。 過程裝備制造技術的創新過程裝備制造技術的創新 計算機輔助制造技術（計算機輔助制造技術（CAM)。 過程裝備故障診斷技術的創新過程裝備故障診斷

7、技術的創新 再線診斷技術的創新。再線診斷技術的創新。 過程控制技術的創新過程控制技術的創新 新型傳感器技術和控制理論的創新。新型傳感器技術和控制理論的創新。 清潔生產技術的創新清潔生產技術的創新 環境影響評估技術與清潔生產技術的創新。環境影響評估技術與清潔生產技術的創新。（8）過程設備與過程機器示例）過程設備與過程機器示例 過程機器和過程設備的聯系與區別：過程機器和過程設備的聯系與區別：都屬于過程裝備；都屬于過程裝備；過程機器：主要功能是把能量傳遞給物料，提高過程機器：主要功能是把能量傳遞給物料，提高 其壓力或速度。一般為選型設計。其壓力或速度。一般為選型設計。過程設備：主要功能是為物料的物理

8、過程或化學過程設備：主要功能是為物料的物理過程或化學 過程提供適宜的場所。非標設計。過程提供適宜的場所。非標設計。選型設計：按工藝需求，選擇機器的型號。選型設計：按工藝需求，選擇機器的型號。非標設計：遵守國標前提下，針對具體設備進行設計。非標設計：遵守國標前提下，針對具體設備進行設計。（9）過程設備的基本要求）過程設備的基本要求a. 安全可靠安全可靠 過程設備往往都是過程設備往往都是“炸彈炸彈”，即使是常壓設備，即使是常壓設備，由于過程工業所處理的物料往往具有較強的腐蝕性、由于過程工業所處理的物料往往具有較強的腐蝕性、毒性、發射性，一旦物料泄漏，將對環境和各種生毒性、發射性，一旦物料泄漏，將對

9、環境和各種生物帶來毀滅性的傷害，所以，過程設備必須安全可物帶來毀滅性的傷害，所以，過程設備必須安全可靠?？俊. 滿足過程的要求滿足過程的要求 過程設備的主要功能是為物料的物理過程或化過程設備的主要功能是為物料的物理過程或化學過程提供適宜的場所，因此它必須要滿足過程的學過程提供適宜的場所，因此它必須要滿足過程的要求。如合成塔、吸收塔、換熱器都必須滿足相應要求。如合成塔、吸收塔、換熱器都必須滿足相應過程的要求。過程的要求。c. 有好的經濟技術指標有好的經濟技術指標 單位產品成本低、熱力學完善度高。單位產品成本低、熱力學完善度高。d. 易于操作、維護和控制易于操作、維護和控制 操作簡單、可維護性和

10、可修理性好，有優操作簡單、可維護性和可修理性好，有優良的控制水平。如換熱器的清污性能好、管束良的控制水平。如換熱器的清污性能好、管束替換方便、操作彈性好。替換方便、操作彈性好。e. 優良的環境性能優良的環境性能 對環境的影響盡可能地小（包括：物料污染、對環境的影響盡可能地?。òǎ何锪衔廴尽⒙曃廴?、光污染、熱污染、放射性污染等）。聲污染、光污染、熱污染、放射性污染等）。（10）過程設備的設計）過程設備的設計a. 設計設計 制造制造 使用使用 維護與修理維護與修理需求分析和目標界定需求分析和目標界定提出各種方案提出各種方案方案評價方案評價方案不可行方案不可行方案可行方案可行評估標準：評估標準：功

11、能功能安全性安全性經濟性經濟性對環境的影響對環境的影響可制造性可制造性時間等時間等改進改進b. 過程設備設計的主要內容過程設備設計的主要內容文獻檢索與分析文獻檢索與分析確定設計標準確定設計標準確定材料確定材料確定設計理論和設計方法確定設計理論和設計方法工藝設計工藝設計總體設計總體設計強度設計強度設計結構設計結構設計確定制造工藝確定制造工藝性能評價性能評價總結：總結： 過程設備是化工、輕工、煉油、食品、制藥、過程設備是化工、輕工、煉油、食品、制藥、冶金、能源等行業廣泛使用的一種裝備，有別于冶金、能源等行業廣泛使用的一種裝備，有別于一般的裝備。過程設備的設計涉及到過程原理、一般的裝備。過程設備的設

12、計涉及到過程原理、固體力學、流體力學、熱力學、機械學、自動控固體力學、流體力學、熱力學、機械學、自動控制原理與儀器儀表等學科。其涉及學科的范圍和制原理與儀器儀表等學科。其涉及學科的范圍和問題的復雜程度都是工程問題中極為少見的。問題的復雜程度都是工程問題中極為少見的。 先進的過程設備設計方法是以計算機輔助設先進的過程設備設計方法是以計算機輔助設計（計（CAE)為標志的以尋求最優化結果為目標的設為標志的以尋求最優化結果為目標的設計。計。1壓力容器導言壓力容器導言1.1 壓力容器總體結構壓力容器總體結構1.2 壓力容器的分類壓力容器的分類1.3 壓力容器規范標準壓力容器規范標準提示：過程設備通常也稱

13、為壓力容器與設備，或簡提示：過程設備通常也稱為壓力容器與設備，或簡 稱為壓力容器。稱為壓力容器。封頭封頭筒身筒身支座支座接管接管筒節筒節環焊縫環焊縫縱焊縫縱焊縫補強圈補強圈盲板盲板接管接管支座支座上封頭上封頭下封頭下封頭圖片法蘭法蘭補強圈補強圈圖片返回問題：問題： 壓力容器主要由哪幾部分構成？各有什么作用？壓力容器主要由哪幾部分構成？各有什么作用？提示：壓力容器必須提供一個密閉的空間！理由？提示：壓力容器必須提供一個密閉的空間！理由？壓力容器通常由以下壓力容器通常由以下8個部分組成：個部分組成：a. 筒身筒身 鋼板卷制而成鋼板卷制而成 制造容易、成本低制造容易、成本低筒身筒身 整體鍛造而成整體

14、鍛造而成 制造困難、成本高、性能好制造困難、成本高、性能好 單層單層 多用于中低壓容器多用于中低壓容器筒身筒身 多層多層 多用于高壓容器多用于高壓容器問題：壓力容器可以用什么材料制作？問題：壓力容器可以用什么材料制作？b. 封頭封頭 按形狀可分為：球形封頭、橢圓形封頭、碟按形狀可分為：球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭、錐形封頭、平板封頭等。形封頭、錐形封頭、平板封頭等。 特點：軸對稱！特點：軸對稱！半橢球封頭半橢球封頭 半橢球封頭半橢球封頭 半球形封頭半球形封頭特點？特點？錐形封頭錐形封頭特點？特點？c. 法蘭法蘭 容器法蘭容器法蘭： 用于容器間或容器與封頭的連接；用于容器間或容器與封頭的連接；

15、 管道法蘭管道法蘭： 用于管道間的連接；用于管道間的連接；問題：法蘭的作用？問題：法蘭的作用？d. 密封裝置密封裝置 用于連接件之間的密封，防止物料泄漏。用于連接件之間的密封，防止物料泄漏。e. 開孔與接管開孔與接管 在容器上開孔的目的是為了便于檢修（人在容器上開孔的目的是為了便于檢修（人孔和手孔），或是為了安裝各種安全附件、或孔和手孔），或是為了安裝各種安全附件、或是為了滿足工藝的要求。是為了滿足工藝的要求。問題：為何在容器上開孔？問題：為何在容器上開孔？f. 支座支座 把壓力容器支承并固定在基礎上。把壓力容器支承并固定在基礎上。問題：不要支座行嗎？問題：不要支座行嗎？g. 補強圈補強圈 開

16、孔會引發開孔區域產生過大的應力，為開孔會引發開孔區域產生過大的應力，為安全計，需要補強圈補強。安全計，需要補強圈補強。 提示：局部增強！提示：局部增強！h. 安全附件安全附件 安裝各種安全泄放裝置和各種壓力表、測溫安裝各種安全泄放裝置和各種壓力表、測溫儀表、液位計等。儀表、液位計等。問題：高壓鍋的安全泄放裝置？問題：高壓鍋的安全泄放裝置？問題：任何保證壓力容器的安全？問題：任何保證壓力容器的安全？1.2 壓力容器的分類壓力容器的分類a. 壓力容器分類的理由壓力容器分類的理由 壓力容器潛在的危害程度不同！壓力容器潛在的危害程度不同！ 壓力容器發生事故所造成的危害程度差別很大，壓力容器發生事故所造

17、成的危害程度差別很大，而決定危害程度的因素又很多，有壓力、溫度、而決定危害程度的因素又很多，有壓力、溫度、物料的相態、物料的毒性、易燃易爆性、規模、物料的相態、物料的毒性、易燃易爆性、規模、使用場所等。使用場所等。提示：聯系后續內容中的焊縫分類、應力分類！提示：聯系后續內容中的焊縫分類、應力分類！b. 壓力容器分類的依據壓力容器分類的依據 主要根據壓力、溫度、物料的相態、物料的主要根據壓力、溫度、物料的相態、物料的毒性、易燃易爆性、規模、使用場所等毒性、易燃易爆性、規模、使用場所等都都與壓力容器的潛在危害程度相關！與壓力容器的潛在危害程度相關！c.壓力容器的分類壓力容器的分類提示：經?？嫉膬热?/p>

18、！提示：經常考的內容！ 按壓力大小分按壓力大小分 低壓容器（低壓容器（L） 0.1MPap1.6MPa 中壓容器（中壓容器（M） 1.6MPap10MPa 高壓容器（高壓容器（H） 10MPap100MPa注：記住幾個壓力界限！注：記住幾個壓力界限！提示：大部分的壓力容器為中低壓容器。提示：大部分的壓力容器為中低壓容器。 按用途分按用途分 反應器反應器如合成塔、反應釜如合成塔、反應釜 換熱器換熱器如廢熱鍋爐、汽車發動機水冷卻器如廢熱鍋爐、汽車發動機水冷卻器 分離器分離器如精餾塔、干燥塔如精餾塔、干燥塔 儲儲 罐罐如油罐、家用液化氣罐如油罐、家用液化氣罐 按安裝方式分按安裝方式分 固定式固定式絕

19、大部分壓力容器絕大部分壓力容器 移動式移動式如火車物料罐、汽車油罐如火車物料罐、汽車油罐按安全管理分（按容規分類按安全管理分（按容規分類 最重要的分類！最重要的分類?。┓譃槿悾悍譃槿悾?具有下列情況之一的，為第三類壓力容器：具有下列情況之一的，為第三類壓力容器：高壓容器高壓容器中壓容器且介質為極度毒性和高度危害中壓容器且介質為極度毒性和高度危害中壓貯存容器且介質為易燃或中等毒性、中壓貯存容器且介質為易燃或中等毒性、pv10MPa. m中壓反應容器且介質為易燃或中等毒性、中壓反應容器且介質為易燃或中等毒性、pv0.5MPa. m容規：壓力容器安全技術監察規程容規：壓力容器安全技術監察規程 低

20、壓容器且介質為極度毒性和高度危害、低壓容器且介質為極度毒性和高度危害、 pv0.2MPa. m 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐高壓、中壓管殼式余熱鍋爐 中壓搪玻璃壓力容器中壓搪玻璃壓力容器 使用強度級別較高的材料制造的壓力容器使用強度級別較高的材料制造的壓力容器(抗拉強抗拉強度度540MPa) 移動式壓力容器移動式壓力容器 容積大于容積大于50m的球形容器的球形容器 容積大于容積大于5m的低溫貯存容器的低溫貯存容器具有下列情況之一的，為第二類壓力容器：具有下列情況之一的，為第二類壓力容器： 中壓容器中壓容器 低壓容器且介質為極度毒性和高度危害低壓容器且介質為極度毒性和高度危害 低壓反應器和低壓貯存容

21、器，介質易燃或毒性中等低壓反應器和低壓貯存容器，介質易燃或毒性中等 低壓管殼式余熱鍋爐低壓管殼式余熱鍋爐 低壓搪玻璃壓力容器低壓搪玻璃壓力容器除上述規定以外的低壓容器為第一類壓力容器。除上述規定以外的低壓容器為第一類壓力容器。注意：各國對壓力容器的分類方法不盡相同。注意：各國對壓力容器的分類方法不盡相同。問題：容規分類中需考慮哪些因素？問題：容規分類中需考慮哪些因素？1.3 壓力容器規范標準壓力容器規范標準1.3.1 國外壓力容器標準簡介國外壓力容器標準簡介 ASME規范規范 美國標準（美國標準（American society of Machinery engineering) 為世界上第一

22、部壓力容器設計和制造方面的規為世界上第一部壓力容器設計和制造方面的規范，歷史悠久，更新速度快，涵蓋范圍寬，同時也范，歷史悠久，更新速度快，涵蓋范圍寬，同時也是許多國家制定相關規范的藍本（如日本、中國等是許多國家制定相關規范的藍本（如日本、中國等國家）。國家）。 提示：壓力容器的設計必須遵守各種各樣的標準！提示：壓力容器的設計必須遵守各種各樣的標準！1965年推出年推出ASME規范；規范；1968年推出年推出ASME規范的兩個分冊：規范的兩個分冊：第一冊為傳統的規則設計（第一冊為傳統的規則設計（Design by Rules)第二冊為分析設計規范（第二冊為分析設計規范（Design by Ana

23、lysis）提示提示1：壓力容器設計分為常規設計和分析設計?。簤毫θ萜髟O計分為常規設計和分析設計！后者更科學、更合理！后者更科學、更合理！提示提示2：本課程重點介紹常規設計?。罕菊n程重點介紹常規設計！ 歐盟壓力容器標準歐盟壓力容器標準 為適應歐洲一體化而建立的標準，正在逐步為適應歐洲一體化而建立的標準，正在逐步完善。該規范對中國的壓力容器標準也有一定的完善。該規范對中國的壓力容器標準也有一定的影響。如英國影響。如英國1976年制定的年制定的BS5500標準，為分標準，為分析設計標準。析設計標準。 日本標準日本標準 日本于日本于1993年推出分析設計標準年推出分析設計標準JIS8250。1.3.

24、2 國內主要壓力容器標準國內主要壓力容器標準 較為成熟的標準是：較為成熟的標準是：1989年制定的年制定的GB150-89鋼制壓力容器鋼制壓力容器和和 GB151-89鋼制管殼式換熱器鋼制管殼式換熱器等。等。1998，1999年又重新修訂了這兩部標準和相關標準。年又重新修訂了這兩部標準和相關標準。這些標準都是以這些標準都是以ASME規范為藍本，同時也吸取了歐規范為藍本，同時也吸取了歐洲標準的一些思想，同時也加入了一些自己的思想和洲標準的一些思想，同時也加入了一些自己的思想和方法（如管板強度設計方法）。方法（如管板強度設計方法）。注：新版標準在征求意見中！注：新版標準在征求意見中！ 提示：標準很

25、多！提示：標準很多！GB150-1998鋼制壓力容器鋼制壓力容器 為常規設計標準為常規設計標準 JB473295鋼制壓力容器分析設計標準鋼制壓力容器分析設計標準 為為兼有常規設計和分析設計內容。兼有常規設計和分析設計內容。注意：注意： 由于部門分割、標準修訂時間間隔過長和所由于部門分割、標準修訂時間間隔過長和所采用的強度設計準則不同，造成了我國有國家標采用的強度設計準則不同，造成了我國有國家標準和行業標準，甚至還有地方標準的狀況，但這準和行業標準，甚至還有地方標準的狀況，但這些標準的差別并不是很大，今后，行業標準和地些標準的差別并不是很大，今后，行業標準和地方標準會逐步淡出，壓力容器的規范還是

26、以國家方標準會逐步淡出，壓力容器的規范還是以國家標準為主，國家標準也會因為經濟全球化而逐步標準為主，國家標準也會因為經濟全球化而逐步向國際標準靠攏。向國際標準靠攏。強者制定標準！強者制定標準！1.3.3 國家標準和工業國家標準的比較國家標準和工業國家標準的比較 GB150較多地參照了較多地參照了ASME！1、與美國標準、歐洲標準的內容基本相同；、與美國標準、歐洲標準的內容基本相同；2、制定標準的出發點也相差不多；、制定標準的出發點也相差不多；3、差別主要在：、差別主要在： a、標準的適用范圍、標準的適用范圍 b、材料的許用應力、材料的許用應力 c、材料的牌號及其性能、技術指標有所不同。、材料的

27、牌號及其性能、技術指標有所不同。1.3.4 制定標準的目的制定標準的目的 標準化的目的是為了實現產品的系列化、通標準化的目的是為了實現產品的系列化、通用化、降低產品成本、且提供了法律依據。壓力用化、降低產品成本、且提供了法律依據。壓力容器是一種潛在危害很大的裝備，因此，對設計、容器是一種潛在危害很大的裝備，因此，對設計、制造、使用、維修等方面的工作和從事這些工作制造、使用、維修等方面的工作和從事這些工作的資質都必須有章可循。的資質都必須有章可循。問題：如何看待壓力容器的規范？問題：如何看待壓力容器的規范？“工程設計是一門藝術！工程設計是一門藝術！”路甬祥路甬祥注意：工程設計必須遵守相關國家標準

28、！注意：工程設計必須遵守相關國家標準！2壓力容器應力分析壓力容器應力分析2.1 回轉薄殼的應力分析回轉薄殼的應力分析2.2 厚壁容器的應力分析厚壁容器的應力分析2.3 結構與力學性能的關系結構與力學性能的關系2.4 殼體的穩定性分析殼體的穩定性分析2.5 典型局部應力典型局部應力本章為常規設計的基礎！是期末考和考研的重點！本章為常規設計的基礎！是期末考和考研的重點！問題：應力分析的目的？問題：應力分析的目的？問題：何謂強度？問題：何謂強度？2 壓力容器應力分析壓力容器應力分析問題：壓力容器失效的后果？導致壓問題：壓力容器失效的后果？導致壓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 回轉薄殼的應力分析回轉薄殼的應力分析2.1.1 回轉薄殼的概念回轉薄殼的概念回轉殼的特點：回轉殼的特點： 母線以回轉軸為中心旋轉而母線以回轉軸為中心旋轉而得，故為得，故為對稱殼體對稱殼體。若：壁厚若：壁厚/ /中面曲率半徑中面曲率半徑0.1，稱該殼體為薄殼，反之為，稱該殼體為薄殼，反之為厚殼。厚殼。為什么要區分厚、薄殼？為什么要區分厚、薄殼？薄殼薄殼常規設計，依據無力矩理論！簡單，誤差大！常規設計，依據無力矩理論！簡單，誤差大！厚殼厚殼分析設計，依據有力矩理論！復雜，誤差小！分析設計，依據有力矩理論！復雜，誤差??！在應力分析中，假定：材料是連續、各向同性、變形為在應力分析中，假

30、定：材料是連續、各向同性、變形為彈性小變形、殼壁各層纖維在變形過程及變形后互相不彈性小變形、殼壁各層纖維在變形過程及變形后互相不擠壓（？）。擠壓（？）?？佳型瑢W注意此假定！考研同學注意此假定！2.1.2 薄壁圓筒的應力分析薄壁圓筒的應力分析分析方法：單元體平衡法分析方法：單元體平衡法環向應力和經向應力環向應力和經向應力問題：環向應力和經向應力的作用效果？問題：環向應力和經向應力的作用效果？水平方向力平衡關系（采用截面法）：水平方向力平衡關系（采用截面法）：DtpD24tpD4提示：區域平衡方程！提示：區域平衡方程！說明：截面法并不都可用！單元體平衡法更具普遍性！說明：截面法并不都可用！單元體平

31、衡法更具普遍性！擴展：還原論擴展：還原論水平方向的力平衡式：水平方向的力平衡式：202sin2tdpRi提示提示1：厚度設為：厚度設為1提示提示2：總體平衡，則其部分必處于平衡狀態。：總體平衡，則其部分必處于平衡狀態。tpD2單元體平衡法：由局部微元的平衡關系推導出整體單元體平衡法：由局部微元的平衡關系推導出整體 的平衡關系。的平衡關系。提示：微分提示：微分 積分積分一般方法：一般方法： 取有代表性微元取有代表性微元 （關鍵！）（關鍵?。?建立力平衡關系建立力平衡關系 （一般為微分方程）（一般為微分方程） 解微分方程得到定解解微分方程得到定解 （一般需考慮邊界條件）（一般需考慮邊界條件）提示：

32、軸對稱回轉薄殼的應力求解非常簡單！提示：軸對稱回轉薄殼的應力求解非常簡單！問題：如何取有代表性微元問題：如何取有代表性微元 ？2.1.3 回轉薄殼的幾何要素回轉薄殼的幾何要素第一曲率半徑第一曲率半徑R1、第二曲率半徑、第二曲率半徑R22.1.4 無力矩理論和有力矩理論無力矩理論和有力矩理論殼體內力分析殼體內力分析無力矩理論無力矩理論（薄膜理論）（薄膜理論）有力矩理論有力矩理論（彎曲理論）（彎曲理論）薄膜力薄膜力橫向剪力橫向剪力彎矩、扭矩彎矩、扭矩十個內力分量十個內力分量內力有力矩理有力矩理論或彎曲論或彎曲理論理論（靜不定）（靜不定）無力矩理無力矩理論或薄膜論或薄膜理論理論（靜定）（靜定）10個

33、個薄膜內力NNNN、由中面的拉伸、壓縮、由中面的拉伸、壓縮、剪切變形而產生剪切變形而產生4個個無力矩理論都是圍繞無力矩理論都是圍繞中面中面展開的，因壁很薄，中面展開的，因壁很薄，中面上的變形和應力可代表薄殼的變形和應力！上的變形和應力可代表薄殼的變形和應力！彎曲內力QQ 、扭矩橫向剪力MM 、MM、由中面的曲率、扭矩變由中面的曲率、扭矩變形而產生形而產生6個個彎矩對于承受軸對稱載荷的殼體中面受力？對于承受軸對稱載荷的殼體中面受力？薄膜內力N、N2個個彎曲內力Q橫向剪力MM 、3個個彎矩有力矩理論更合理，也更復雜！有力矩理論更合理，也更復雜！設想：如果可以用簡單的無力矩理論進行壓力容器的設計，且

34、設想：如果可以用簡單的無力矩理論進行壓力容器的設計，且 誤差又不大！誤差又不大！ 回轉薄殼！回轉薄殼！2.1.5 無力矩理論的基本方程無力矩理論的基本方程采用微元體平衡法導出采用微元體平衡法導出注意：以下為無力矩力學理論！注意：以下為無力矩力學理論！建立作用在微元體上的內力與外載荷之間的平衡關系建立作用在微元體上的內力與外載荷之間的平衡關系最后得：最后得： 拉普拉斯方程拉普拉斯方程注意：注意： P與殼體表面垂直的壓力與殼體表面垂直的壓力問題問題1：公式中各物理量的單位？：公式中各物理量的單位？問題問題2：一個公式中有兩個未知量，如何解？：一個公式中有兩個未知量，如何解？提示提示1：記住公式！明

35、確其中物理量！：記住公式！明確其中物理量！提示提示2：考研者需學會推導?。嚎佳姓咝鑼W會推導！tpRR21區域平衡方程區域平衡方程應力求解的重要途徑！應力求解的重要途徑！一般用來求經向應力，在一般用來求經向應力，在回轉軸方向回轉軸方向建立力平衡方程。建立力平衡方程。氣體壓力在回轉軸方向合力：氣體壓力在回轉軸方向合力：環帶：環帶：內力在回轉軸方向合力：內力在回轉軸方向合力：區域平衡方程：區域平衡方程：mrrpdrV02cos2 rpdldV dldrcosmrrpdrV02cos2trVmVV 例：圓柱薄殼的區域平衡方程：例：圓柱薄殼的區域平衡方程：DtpD24tpD4tpD2結合拉普拉斯方程得：

36、結合拉普拉斯方程得：tpD4與之前的推導相同！與之前的推導相同！提示：環向應力也可由拉普拉斯方程直接得到！提示：環向應力也可由拉普拉斯方程直接得到！例：承受氣壓球殼例：承受氣壓球殼M點經向應力。點經向應力。得經向應力：得經向應力：結合拉普拉斯方程得：結合拉普拉斯方程得：mrrpdrV02prm2mrrpdrV02sin2trVmtpR2tpR2sinRrm2.1.6 無力矩理論的應用無力矩理論的應用 承受氣體內壓承受氣體內壓的回轉薄殼：的回轉薄殼：左側公式為通用公左側公式為通用公式！通用的范圍？式！通用的范圍？提示：考研必考內容！提示：考研必考內容！問題：載荷不止氣問題：載荷不止氣壓時，怎么辦

37、？壓時，怎么辦？tpR2tpR2tpRa.球形殼體球形殼體b.圓柱殼體圓柱殼體提示：記住公式，分析特點！提示：記住公式，分析特點！問題：球形殼體的優點？缺點？問題：球形殼體的優點？缺點？擴展問題：工業實踐中，很少使用半球形封頭，理由？擴展問題：工業實踐中，很少使用半球形封頭，理由？擴展問題：工業實踐中，很少使用球形容器，理由？擴展問題：工業實踐中，很少使用球形容器，理由？C、錐形殼體、錐形殼體prV2截面是什么形狀？截面是什么形狀？過過A點截面與點截面與OA子線垂直！子線垂直！cos2rtV A點的兩相應力計算公式？有何特點？點的兩相應力計算公式？有何特點？半錐角等于半錐角等于90度時？度時？

38、 半錐角等于半錐角等于0度時？度時？O點的應力？點的應力？原因？原因？D、橢球形殼體、橢球形殼體情況要復雜一些，但仍然按情況要復雜一些，但仍然按拉普拉斯拉普拉斯方程和方程和區域平衡區域平衡方程求解！方程求解！幾個問題：幾個問題：1. a/b 的不同比值與兩向薄膜應力之間的關系；的不同比值與兩向薄膜應力之間的關系；2. a/b比值為比值為1時，對應球形薄殼；時，對應球形薄殼；3. a/b比值為比值為2時，對應標準橢球薄殼，其一半為標時，對應標準橢球薄殼，其一半為標準半橢球封頭，為應用最廣泛的封頭（？）。準半橢球封頭，為應用最廣泛的封頭（？）。E、儲存液體的回轉薄殼、儲存液體的回轉薄殼gxpp0t

39、Rgxp0tRgxp)(0由拉普拉斯方程得：由拉普拉斯方程得：由由A點以上部分的區域平衡方程得：點以上部分的區域平衡方程得：022pRRttRp20問題：如果支座在容器的問題：如果支座在容器的中部，支座上方、下方的中部，支座上方、下方的應力如何推導？應力如何推導？僅受自重作用時的應力僅受自重作用時的應力由拉普拉斯方程得：由拉普拉斯方程得：由區域平衡方程得：由區域平衡方程得： 為為A點以上部分殼體的重量。點以上部分殼體的重量。tRgxp)(0 xGRt20G如果支座不再底部，其上方、下方的兩向應力？如果支座不再底部，其上方、下方的兩向應力？回轉薄殼回轉薄殼圓柱、圓錐、球殼圓柱、圓錐、球殼在以下情

40、況時的兩向薄膜應力如何推導？在以下情況時的兩向薄膜應力如何推導？ 僅受自重作用僅受自重作用 僅受氣壓作用僅受氣壓作用 僅受液體靜壓作用僅受液體靜壓作用 氣壓和液體靜壓共同作用氣壓和液體靜壓共同作用方法都一樣！方法都一樣！ 拉普拉斯方程拉普拉斯方程 區域平衡方程區域平衡方程求經向應力求經向應力考研特別注意！考研特別注意！E .球形殼體球形殼體應力在支座支承處有突變，說明什么？應力在支座支承處有突變，說明什么？支座處彎曲內力很大！無力矩理論計算結果誤差大！支座處彎曲內力很大！無力矩理論計算結果誤差大！圖片無力矩理論的應用條件無力矩理論的應用條件 殼體的厚度、中面曲率和載荷連續，沒有突變，殼體的厚度

41、、中面曲率和載荷連續，沒有突變，且構成殼體的材料的物理性能相同。且構成殼體的材料的物理性能相同。 殼體的邊界處不受集中力、且不受變形限制。殼體的邊界處不受集中力、且不受變形限制。 客觀地說，實際的壓力容器都不能使用無力客觀地說，實際的壓力容器都不能使用無力矩理論，但對于大部分的薄壁容器，由無力矩理矩理論，但對于大部分的薄壁容器，由無力矩理論得到的結果與真實情況之間的偏差并不大，完論得到的結果與真實情況之間的偏差并不大，完全可以滿足工程界的要求。如果上述條件得不到全可以滿足工程界的要求。如果上述條件得不到滿足，則無力矩理論不適用。滿足，則無力矩理論不適用。核心：變形不協調！核心：變形不協調！2.

42、1.7 回轉薄殼的不連續分析回轉薄殼的不連續分析a. 不連續和不連續分析不連續和不連續分析 幾何形態不連續、或數學不連續、或載荷突幾何形態不連續、或數學不連續、或載荷突變，由此造成應力突變或出現大應力狀況。變，由此造成應力突變或出現大應力狀況。 由于不連續情況的存在，在此區域內出現了各由于不連續情況的存在，在此區域內出現了各部分變形不協調的情況，造成過大的應力，導致設部分變形不協調的情況，造成過大的應力，導致設備在局部破壞，最終造成設備失效。備在局部破壞，最終造成設備失效。 分析不連續應力的方法稱為不連續分析。分析不連續應力的方法稱為不連續分析。核心：變形不協調！核心：變形不協調！ 幾何形態不

43、連續幾何形態不連續問題：圖中，幾個地方問題：圖中，幾個地方存在幾何形狀突變？存在幾何形狀突變？ 材料不連續材料不連續核心：變形不協調！核心：變形不協調！ 集中載荷集中載荷核心：變形不協調！核心：變形不協調！ 材料厚度突變材料厚度突變核心：變形不協調！核心：變形不協調！b. 不連續分析方法不連續分析方法變形分析（變形分析（M、Q、M、Q） 變形協調方程變形協調方程 邊緣力和邊緣力矩（邊緣力和邊緣力矩（Mo、Qo） 位移（位移（w） 內力和內力矩（內力和內力矩（Nx、N、Mx、M、Qx） 應力（應力（、）求解不連續應力的步驟了解了解 力的連續（各種內力、應力）力的連續（各種內力、應力） 分析方法的

44、核心是：分析方法的核心是： 變形的連續（線位移、角位移）變形的連續（線位移、角位移）注意：內力包括軸力、剪力、彎距；應力包括正應力和注意：內力包括軸力、剪力、彎距；應力包括正應力和 剪應力。剪應力。 通過有力矩理論建立協調方程后即可求解出不連續區通過有力矩理論建立協調方程后即可求解出不連續區域的各種力和變形。域的各種力和變形。c. 不連續應力的特性不連續應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）距相貫處約距相貫處約60mm，應，應力以急速衰減至薄膜應力以急速衰減至薄膜應力的大??！力的大??！重要特點！重要特點！局限性、自限性的意義？局限性、自限性的意義？d. d. 對不連

45、續應力的處理對不連續應力的處理 盡量消除或降低不連續應力產生的條件；盡量消除或降低不連續應力產生的條件； 對一般的由塑性材料制成的壓力容器不進行不連對一般的由塑性材料制成的壓力容器不進行不連續應力的計算（計算難度大且工作量大、局限性續應力的計算（計算難度大且工作量大、局限性和自限性也降低了不連續應力的危害），僅根據和自限性也降低了不連續應力的危害），僅根據不連續應力的特點進行局部處理；不連續應力的特點進行局部處理； 對由脆性材料制成的壓力容器或重要的設備（如對由脆性材料制成的壓力容器或重要的設備（如三類容器），必須用有限元程序計算不連續應力。三類容器），必須用有限元程序計算不連續應力。(1)(

46、1) 殼體必須光滑連續殼體必須光滑連續R R1 1、R R2 2、d d 及材質（如及材質（如E E、m m 等）無突變；等）無突變；(2)(2) 殼體上載荷必須連續殼體上載荷必須連續表面力或溫度無突變，表面力或溫度無突變，無集中力或力矩作用；無集中力或力矩作用；(3)(3) 邊界支承（或連接）的邊界力只能作用在經線切邊界支承（或連接）的邊界力只能作用在經線切線方向且無彎矩。線方向且無彎矩。在違背上述三個條件的局部區域內，必然存在較大內彎在違背上述三個條件的局部區域內，必然存在較大內彎矩，無力矩理論不適用，必須用有力距理論分析。矩，無力矩理論不適用，必須用有力距理論分析。 無力矩理論的應用條件

47、無力矩理論的應用條件2.2 2.2 厚壁容器的應力分析厚壁容器的應力分析分析方法：老三步，力平衡分析方法：老三步，力平衡+ +幾何方程幾何方程+ +物理方程。物理方程。 在彈性力學和板殼理論的基礎上，按有力矩在彈性力學和板殼理論的基礎上，按有力矩理論的方法處理。但只有一部分相對簡單的問題理論的方法處理。但只有一部分相對簡單的問題可以得到理論解，而大部分的問題無法得到理論可以得到理論解，而大部分的問題無法得到理論解，此時，只能利用有限元程序包（解，此時，只能利用有限元程序包（i-deasi-deas、pro-epro-e、UGUG、ANSYSANSYS等）來對厚壁容器的應力和變等）來對厚壁容器的

48、應力和變形進行分析。形進行分析。2.2.1 2.2.1 壓力載荷引起的彈性應力壓力載荷引起的彈性應力采用微元體平衡分析方法。采用微元體平衡分析方法。彈性應力彈性應力壓力、溫差引起壓力、溫差引起drrrdrdrdwww0RiRrzipopopipz內外壓力作用下厚壁圓筒的應力表達式：內外壓力作用下厚壁圓筒的應力表達式： 軸向應力軸向應力 ： 因為變形前后圓筒橫截面保持平面，假設其因為變形前后圓筒橫截面保持平面，假設其在厚度方向均勻分布在厚度方向均勻分布 2202002iiizRRRpRp周向應力周向應力 ？徑向應力？徑向應力？平衡方程： 02sin2)(:0dzdrddzrddzddrrdFrr

49、rr幾何方程： drdwdrwdwwr)(rwdrdrdwr)(drdrrrdrddrdrdrdrr222物理方程： )(1zrrE)(1zrE)(1rrdrd)()1 (rrE)(1drddrdEdrdr)()1 (rrEdrddrddrdr)()1 (rr=微分方程： 0322drddrdrrr;:;:00pRrpRrriri邊界條件： 內外壓力內外壓力作用下厚壁圓筒的三向應力表達式：作用下厚壁圓筒的三向應力表達式： 周向應力周向應力 徑向應力徑向應力 軸向應力軸向應力 2220202022020021rRRRRppRRRpRpiiiiii2220202022020021rRRRRppRR

50、RpRpiiiiiir2202002iiizRRRpRp（或對于開式圓筒）0zLameLame公式公式厚壁圓筒應力分布厚壁圓筒應力分布僅受內壓時的應力特點僅受內壓時的應力特點 ：00p 周向應力：拉應力，三個應力中最周向應力：拉應力，三個應力中最大大, ,且且 徑向應力：壓應力，且徑向應力：壓應力，且 軸向應力：拉應力，均勻分布，軸向應力：拉應力，均勻分布，且且 1K2p)(1K1Kp)(2i022ii2rz0)( ,p)(0riir0rz0z20RiRipizp2zz12Kpi 應力分布的不均勻性應力分布的不均勻性： 按按MisesMises 屈服條件屈服條件( (第四強度理論）第四強度理論

51、）僅受內壓時的應力特點僅受內壓時的應力特點 ：00p21K)()(20i105. 1)()(1 . 1K0i345. 1)()(3 . 1K0isr32s22iK21Kpsi22irp1KK2)(2pKsi，即使0rz0z20RiRipizp2zz12Kpi2.2.2 溫度變化引起的彈性熱應力溫度變化引起的彈性熱應力熱應力熱應力構件熱變形受到構件熱變形受到外界約束外界約束構件之間熱變形構件之間熱變形的相互約束的相互約束構件內部溫度構件內部溫度分布不均勻分布不均勻微元體的熱應力微元體的熱應力y方向受到剛性約束時的熱應力：方向受到剛性約束時的熱應力： tEttE12yx和和y方向受到剛性約束時的熱

52、應力：方向受到剛性約束時的熱應力：1112tEttEyxx 、y 、z方向方向 均受到剛性約束時的熱應力：均受到剛性約束時的熱應力：212112tEttEzyx厚壁圓筒的熱應力厚壁圓筒的熱應力12lnln211211lnln1211lnln11222222KKKtEKKKKtEKKKKtErtzrrtrrrt周向熱應：周向熱應：徑向熱應：徑向熱應：軸向熱應：軸向熱應：* 熱應力與溫差熱應力與溫差t成成正比，和溫度的絕對正比，和溫度的絕對值沒有直接的關系。值沒有直接的關系。* 壁厚越大，傳熱阻力越壁厚越大，傳熱阻力越大，內外壁溫差也越大，大，內外壁溫差也越大，會導致熱應力增大。會導致熱應力增大。

53、軸向溫度不變，穩軸向溫度不變，穩態傳熱態傳熱 ,trrr,ttzzz綜合應力綜合應力內壓內壓溫差溫差綜合應力分布綜合應力分布內壓內加熱：內壁應力減小，而外壁應力增大，應力狀態有可能惡化。 內壓外加熱：內壁的綜合應力增大，而外壁應力減小，應力狀態惡化。必須考慮溫差應力 內壓內加熱：內壓內加熱：內壁應力減小，而外壁應力增內壁應力減小，而外壁應力增大，應力狀態有可能惡化。大，應力狀態有可能惡化。內壓外加熱：內壓外加熱：內壁的綜合應力增大，而外壁應力內壁的綜合應力增大，而外壁應力減小，應力狀態惡化。減小，應力狀態惡化。必須考慮溫差應力必須考慮溫差應力 熱應力分布特點熱應力分布特點： 1、內外壁處、內外

54、壁處 2、內外壁應力之差：、內外壁應力之差：0trttzttotip23、任意一點應力關系：、任意一點應力關系：trttz溫差應力的工程估算：溫差應力的工程估算：112ln122KKK112ln12KKtmtzt不計溫差應力的條件：不計溫差應力的條件：(1)(1) 保溫良好；保溫良好；(2)(2) 材料已發生蠕變變形；材料已發生蠕變變形；(3) (3) 的內壓內加熱的容器。的內壓內加熱的容器。 p1 . 1)tt (t0i設計壓力減小熱應力的措施減小熱應力的措施1、控制設備的加熱和冷卻速度、控制設備的加熱和冷卻速度2、控制和減小構件的熱變形約束、控制和減小構件的熱變形約束3、設置膨脹節、設置膨

55、脹節4、采用良好的保溫層、采用良好的保溫層減小熱應力的措施減小熱應力的措施1、控制設備的加熱和冷卻速度、控制設備的加熱和冷卻速度2、控制和減小構件的熱變形約束、控制和減小構件的熱變形約束3、設置膨脹節、設置膨脹節4、采用良好的保溫層、采用良好的保溫層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 厚壁內壓容器在承受壓力時，內部材料先于厚壁內壓容器在承受壓力時，內部材料先于外部材料進入塑性狀態，由此提出兩個問題：一外部材料進入塑性狀態，由此提出兩個問題：一是容器的失效判定，二是材料的有效利用問題。是容器的失效判定，二是材料的有效利用問題。 第一個問題涉及容器設計的強度理論，第二第一個問

56、題涉及容器設計的強度理論，第二個問題涉及容器的合理結構和材料的配置使用問個問題涉及容器的合理結構和材料的配置使用問題。題。厚壁圓筒的自增強厚壁圓筒的自增強 厚壁圓筒使用前，用超過工作壓力的壓力厚壁圓筒使用前，用超過工作壓力的壓力進行進行超壓處理超壓處理，使圓筒發生彈塑性變形，卸除，使圓筒發生彈塑性變形，卸除壓力后保留殘余應力，工作時殘余應力和工作壓力后保留殘余應力，工作時殘余應力和工作應力疊加，使圓筒應力分布趨于均勻，提高圓應力疊加，使圓筒應力分布趨于均勻，提高圓筒的筒的彈性承載能力彈性承載能力。2.2.4 平板應力分析平板應力分析(1)(1)應用：應用：平蓋、人（手）孔蓋、管板、法蘭環、矩形

57、容器器壁(2)(2) 形式：形式：圓形、圓環形、橢圓形、矩形（3 3）變形特征變形特征軸對稱橫向載荷下，圓形薄板雙軸對稱橫向載荷下，圓形薄板雙向彎曲。向彎曲。周向彎曲徑向彎曲周向彎曲徑向彎曲（4 4）圓平板應力分析主要考慮：）圓平板應力分析主要考慮：軸對稱橫向載荷、軸對稱橫向載荷、小撓度圓形薄板的應力和變形小撓度圓形薄板的應力和變形P (r)Rrw中性面假設中性面假設：純彎曲問題；：純彎曲問題；直法線假設直法線假設：中面的法線變形后仍為直線，：中面的法線變形后仍為直線，且且于中面；于中面；不擠壓假設不擠壓假設：板內垂直于板面的正應力不予：板內垂直于板面的正應力不予考慮，且不計應變?？紤]，且不計

58、應變。 上述假定統稱為克希霍夫（上述假定統稱為克?；舴颍↘irchhoffKirchhoff）假定。）假定。 wz5 5）彈性薄板小撓度理論的基本假設：）彈性薄板小撓度理論的基本假設：0z(6) 分析過程：分析過程：力平衡方程力平衡方程 幾 何 方 程幾 何 方 程圓板軸對稱彎曲的基本微分方程圓板軸對稱彎曲的基本微分方程物 理 方 程物 理 方 程根據特定邊界條件，求解圓板軸對稱彎曲的基本微分根據特定邊界條件，求解圓板軸對稱彎曲的基本微分方程得撓度方程得撓度w w，于是有：，于是有：zMrr312徑向應力徑向應力)1(22drdwrdrwdDM周向彎矩周向彎矩MqMqzM312周向應力周向應力

59、)231 (12ED其中其中為圓板抗彎剛度。為圓板抗彎剛度。)(M22rdrdwrdrwdD徑向彎矩徑向彎矩M Mr rzMrr312徑向應力徑向應力)(M22rdrdwrdrwdD徑向彎矩徑向彎矩MrMr)1(22drdwrdrwdDM周向彎矩周向彎矩MqMqzM312周向應力周向應力DQdrdrdrdrdrdr1CdrprrQzr22zrrpdrrQd)(聯立邊聯立邊界條件界條件求解求解w)drwddrdwr1(1Ez)drdwrdrwd(1Ez222222r圓平板中的應力圓平板中的應力確定邊界條件？確定邊界條件？周邊固支圓平板周邊固支圓平板Wmax=?板上、下表面處（板上、下表面處（zt

60、/2)：max在哪兒？周邊簡支圓平板周邊簡支圓平板板上、下表面處（板上、下表面處（zt/2)：max在哪兒？支承方式對變形和應力的影響：支承方式對變形和應力的影響： 在其它條件相同的情況下，周邊固定圓平板在其它條件相同的情況下，周邊固定圓平板的最大應力小于周邊簡定圓平板的最大應力，只的最大應力小于周邊簡定圓平板的最大應力，只約為后者的約為后者的2/3；前者的最大變形也僅為后者的；前者的最大變形也僅為后者的1/4。2.2.5 有限元方法有限元方法有限單元法：把連續的實體（無限多自由度）離散有限單元法：把連續的實體（無限多自由度）離散為有限多個單元實體的集合（有限多自由度），為有限多個單元實體的集