【正文】 樣才能確保結構的安全運行。 （a） （b） （c） （d）圖12 常見容器凸形封頭的形式（a）半球形封頭；（b）橢圓形封頭；（c）蝶形封頭；（d）球冠形封頭（5）錐殼優(yōu)點：有利于排放固體顆粒和懸浮或粘稠液體，可作為不同直徑圓筒體的中間過渡段。它是部分球面與圓筒直接連接。優(yōu)點：過渡環(huán)殼降低了封頭深度，方便成型，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡單，應用廣泛。如下圖（b）所示優(yōu)點：直邊段作用是避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。如果和壁厚相等的筒體連接，邊緣附近的最大應力與薄膜應力并無明顯不同。采用什么樣的封頭要根據工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。例如，歐盟97／23／EC《承壓設備法規(guī)》，根據允許工作壓力、最大允許工作溫度下的蒸氣壓力、介質危害性、幾何容積或公稱尺寸、用途等因素，綜合確定承壓設備的危害程度，將承壓設備分為工、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類，并給出相應的材料、設計、制造和檢驗要求?？梢?，中國的壓力容器分類方法綜合考慮了設計壓力、幾何容積、材料強度、應用場合和介質危害程度等影響因素。例如儲存易燃或毒性程度中度及以上危害介質的壓力容器，其危害性要比相同幾何尺寸、儲存毒性程度輕度或非易燃介質的壓力容器大得多。如生產車間內的臥式儲罐、球罐、塔器、反應釜等。如液氨儲罐、液化石油氣儲罐等。如管殼式余熱鍋爐、熱交換器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器等。(2)按容器在生產中的作用分類根據壓力容器在生產工藝過程中的作用，可分為反應壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器4種。 易燃介質對壓力容器的選材、設計、制造和管理等提出了較高的要求。爆炸極限一般用可燃氣體或蒸氣在混合物中的體積分數(shù)來表示。(2)易燃性 可燃氣體或蒸氣與空氣組成的混合物，并不是在任何比例下都可以燃燒或爆炸的，而是有嚴格的數(shù)量比例，且因條件的變化而改變。一般劃分標準為：極度危害(I級) 最高容許質量濃度高度危害(11級) 最高容許質量濃度中度危害(Ⅲ級) 最高容許質量濃度輕度危害(Ⅳ級) 最高容許質量濃度介質毒性程度愈高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴重，對材料選用、制造、檢驗和管理的要求愈高。氣態(tài)毒物，以空氣中該物質的濃度表示。因此，需要對壓力容器進行合理分類。因此．壓力容器設計工程師必須懂得容器中的焊接結構設計的特點及對焊接質量進行檢驗的基本要求。 壓力容器零部件間的焊接上面介紹了壓力容器外殼的六大組成部件，而各部件間的連接大多需要經過焊接，因而對焊接進行質量控制是整個容器質量體系中極為重要的一環(huán)。受壓元件中，圓柱形簡體、球罐（或球形封頭)、橢圓形封頭、碟形封頭、球冠形封頭、錐形封頭和膨脹節(jié)所對應的殼分別是圓柱殼、球殼、橢球殼、球冠+環(huán)殼、球冠、錐殼和環(huán)形板環(huán)殼，而平蓋（或平封頭）、環(huán)形板、法蘭、管板等受壓元件分別對應于圓平板、環(huán)形板（外半徑與內半徑之差大于10倍的板厚）、環(huán)（外半徑與內半徑之差小于10倍的板厚）以及彈性基礎圓平板。隨著科學技術的發(fā)展，新的實驗應力測定及分析方法不斷涌現(xiàn)，如電測法、光彈法、全息光彈法、全息干涉法、云紋法、散斑法等，目前應用最廣泛的是電測法和光彈法。目前運用較為廣泛的凸形封頭是球形封頭和橢圓形封頭，球形封頭因單位容積的表面積小，且在直徑、壁厚和工作壓力相同的條件下應力最小，兩向薄膜應力相等，而且沿經線是均勻分布的。球形封頭與橢球形封頭應力測定及分析畢業(yè)設計目 錄摘 要 IABSTRACT II第一章 緒 論 1 壓力容器的總體結構 1 壓力容器基本組成 1 壓力容器零部件間的焊接 2 壓力容器分類 3 3 4 6 應力分析方法 8 解析方法 8 數(shù)值方法 9 實驗應力方法 10 第二章 壓力容器的應力分析 11 無力矩理論的基本方程 11 無力矩理論的應用 13 回轉薄殼的不連續(xù)效應 16 第三章 用解析法分析封頭應力 19 19 球形封頭應力計算 19 球形封頭的應力分析 20 21 標準橢圓形封頭的應力計算 21 22 第四章 用實驗法進行應力分析 24 電測法 24 電阻應變片 24 電阻應變儀 32 封頭內壓應力測定實驗 34 第五章 用有限元法進行應力分析 40 ANSYS理論基礎（有限元法）簡介 40 有限元法的基本思想 40 有限元法的特點 41 42 ANSYS分析的基本過程 42 前處理 42 加載并求解 43 后處理 43 封頭與筒體的應力分析 44 球形封頭與筒體的應力分析 44 橢圓形封頭與筒體的應力分析 54 僅對封頭進行應力分析 57 球形封頭的應力分析 57 橢圓形封頭的應力分析 59 第六章 誤差分析和數(shù)據處理 62 62 62 62 數(shù)據處理 64 球形封頭的數(shù)據處理 64 橢圓形封頭的數(shù)據處理 67 誤差分析 71 第七章 結 論 73 參考文獻 75 致 謝 76 附錄A 命令流分析過程 77 77 79 82 84 四川理工學院畢業(yè)論文第一章 緒 論過程設備在生產技術領域中的應用十分廣泛，是化工、煉油、輕工、交通、食品、制藥、冶金、紡織、城建、海洋工程等傳統(tǒng)部門所必需的關鍵設備。壓力容器可分解為筒體、封頭、支座、開孔接管、密封裝置、安全附件等，而封頭的作用是提供所需的承壓空間，根據幾何形狀的不同，封頭可以分為球形、橢圓形、蝶形、球冠形、錐殼和平蓋等幾種，其中球形、橢圓形、蝶形和球冠形封頭又統(tǒng)稱為凸形封頭。目前應力分析方法有解析方法、數(shù)值方法、實驗應力方法。 壓力容器的總體結構 壓力容器基本組成壓力容器通常是由板、殼組合而成的焊接結構。密封裝置又可分解為密封件和承力件，密封件的作用是通過變形堵塞泄漏通道；承力件主要用于提供初始密封所需的預緊力，承受壓力、溫度等載荷產生的作用力。由于壓力容器的特殊性，可以說它對焊接質量的要求是所有焊接設備中要求最高的一種。危害程度愈高，壓力容器材料、設計、制造、檢驗、使用和管理的要求也愈高。毒性大小一般以化學物質引起實驗動物某種毒性反應所需要的劑量來表示。所謂最高容許濃度是指從醫(yī)學水平上，認為對人體不會發(fā)生危害作用的最高濃度，以每立方米的空氣中含毒物的毫克數(shù)來表示，單位是。毒性程度對法蘭的選用影響也甚大，主要體現(xiàn)在法蘭的公稱壓力等級上，如內部介質為中度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓力應不小于1．0MPa；內部介質為高度或極度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓力應不小于1．6MPa，且還應盡量選用帶頸對焊法蘭等?？扇細怏w或蒸氣與空氣的混合物遇著明火能夠發(fā)生爆炸的濃度范圍稱爆炸濃度極限，爆炸時的最低濃度稱為爆炸下限，最高濃度稱為爆炸上限。壓力容器盛裝的易燃介質主要指易燃氣體和液化氣體。內壓容器又可按設計壓力(p)大小分為四個壓力等級，具體劃分如下：低壓(代號L)容器； 中壓(代號M)容器 ； 高壓(代號H)容器 ；超高壓(代號U)容器；外壓容器中，當容器的內壓力小于一個絕對大氣壓(約0．1MPa)時又稱為真空容器。②換熱壓力容器(代號E) 主要是用于完成介質熱量交換的壓力容器。④儲存壓力容器(代號C，其中球罐代號B) 主要是用于儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質的壓力容器。①固定式壓力容器有固定安裝和使用地點，工藝條件和操作人員也較固定的壓力容器。(4)按安全技術管理分類 上面所述的幾種分類方法僅僅考慮了壓力容器的某個設計參數(shù)或使用狀況，還不能綜合反映壓力容器面臨的整體危害水平。① 第三類壓力容器：具有下列情況之一的，為第三類壓力容器；A 高壓容器；B 中壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質）；C中壓儲存容器（僅限易燃或毒性程度為中毒危害介質，且PV乘積大于等于）；D 中壓反應容器(僅限易燃或毒性程度為中毒危害介質，且PV乘積大于等于)；E 低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質，且PV乘積大于等于）；F 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；G 中壓搪玻璃壓力容器；H 使用強度級別較高（指相應標準中抗拉強度規(guī)定值下限大于等于540MPa）的材料制造的壓力容器；I 移動式壓力容器，包括鐵路罐車（介質為液化氣體，低溫液體）、罐式汽車（液化氣體運輸（半掛）車、低溫液體運輸（半掛）車、永久氣體運輸（半掛）車）和罐式集裝箱（介質為液化氣體、低溫液體）等；J 球形儲罐（容積大于50）；K 低溫液體儲存容器（容積大于5）；② 第二類壓力容器：下列情況之一的，為第二類壓力容器；A 中壓容器；B 低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質）；C 低壓反應容器和低壓儲存容器（僅限易燃或毒性程度為中毒危害介質）；D 低壓管殼式余熱鍋爐；E 低壓搪玻璃壓力容器；③ 第一類壓力容器：除上述規(guī)定以外的低壓容器為第一類壓力容器。采用國際標準或國外先進標準設計壓力容器時，應采用相應的分類方法。壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形風頭、橢圓形封頭、蝶形封頭和球冠形封頭。球形封頭單位容積的表面積小，在直徑、壁厚和工作壓力相同的條件下應力最小，兩向薄膜應力相等，而且沿經線是均勻分布的。（2） 橢圓形封頭結構：由半個橢球面和短圓筒組成。如下圖（c）所示，對于標準蝶形封頭。（4） 球冠形封頭結構：蝶形封頭當時，即成為球冠形封頭。應用：常用作容器中兩獨立受壓室的中間封頭，也可用作端蓋。 應力分析方法應力分析的目的就是求出結構在承受載荷（機械載荷、溫度載荷等）以后，結構內應力分布情況，找出最大應力點或求出當量應力值，然后對此進行評定，以把應力控制在許用范圍之內。 解析方法（1） 精確解在解決彈性力學問題時，通常是已知：①結構的形狀與幾何尺寸；②材料常數(shù)，如彈性模量、泊松比、屈服極限等；③外載荷：內壓力、表面力、體積力、溫度載荷等；④結構的約束情況，有了這些條件，從理論上講，就可以用彈性力學方法，通過平衡方法、幾何方程、物理方程、變形協(xié)調方程及邊界條件求得問題解答，這個解也是問題的精確解。對于函數(shù)，比如，x是變量，y是函數(shù)，y值與x值的變化相對應。 數(shù)值方法（1）差分法除了采用解析方法求精確解外，用變分方法可求出級數(shù)解，另一個重要方面就是用數(shù)值方法求取近似數(shù)值解。實際上也是一種離散化處理方法。與此同時，把用連續(xù)形式描述的邊界條件看著是只需在邊界上若干個節(jié)點應當遵守的條件。有限元法按照所依據的能量原理的不同，可分為：位移法、力法、雜交法與混合法。（1）電測法金屬電阻絲承受拉伸或壓縮變形時，電阻也將發(fā)生改變。通過電阻應變儀，就可測得相應的應變。（2）光彈性法是一種光學的應力測量方法。利用光彈性法，不僅能解決二維的問題，而且能有效地解決三維問題，不僅能得到邊界上應力分布，而且能得到內部截面的應力分布。因為軸對稱，、不隨變化，在截面ab和cd上的值相等。并略去高階微量，得 由圖21(d)中ac截面知，周向應力在平行圓方向的分量為再將該分量投影至法線方向，見圖21(e)中ab截面，并考慮，得 作微元體法線方向的力平衡，得等式兩邊同除以，得 (21)這個聯(lián)系薄膜應力，和壓力p的方程，稱為微元平衡方程。在圖21(a)中，過mm’作一與殼體正交的圓錐面mDm’,并取截面以下部分容器作為分離體，如圖22所示圖22 部分容器靜力分析在容器mOm’區(qū)域上，任作兩個相鄰且都與殼體正交的圓錐面。微元平衡方程與區(qū)域平衡方程是無力矩理論的兩個基本方程。③ 橢球形封頭 橢球形殼體由四分之一橢圓曲線作為母線繞一固定軸回轉而成，它的應力同樣可以用式（23）和(24)計算。從式(27)中可以看出：A 橢球殼上的各點的應力是不等的，它與各點的坐標有關，在殼體的頂點處（x=0,y=b）,。D 工程上常用標準橢圓形封頭，其；此時的數(shù)值在頂點處和赤道處大小相等但符號相反，即頂點處為，赤道上為，而恒為拉伸應力，在頂點處達最大值為。而實際薄殼在這些部位必然產生邊緣力和邊緣彎矩，以保證中面的連續(xù)，這自然就破壞了無力矩狀態(tài)B 殼體的邊界處不受橫向剪力、彎矩和轉矩作用。聯(lián)合使用有力矩理論和無力矩理論，解決了大量的薄殼問題。這樣在兩個殼體連接處附近形成一種約束，迫使連接處殼體發(fā)生局部的彎曲變形，在連接邊緣產生了附加的邊緣力和邊緣力矩及抵抗這種變形的局部應力，使這一區(qū)域的總應力增大。② 不連續(xù)分析的基本方法 組合殼的不連續(xù)應力可以根據一般殼體理論計算，但較復雜。它是由于外載荷所產生而必須滿足內部和外部的力和力矩的平衡關系的應力，隨外載荷的增大而增大，因此，當它超過材料屈服強度時就能導致材料的破壞或大面積變形；二是有矩解或稱次要解，即在兩殼體連接邊緣處切開后，自由邊界上受到的邊緣力和邊緣力矩作用時的有力矩理論的解，求得的應力稱二次應力。