【正文】 44 球形封頭與筒體的應(yīng)力分析 44 橢圓形封頭與筒體的應(yīng)力分析 54 僅對封頭進(jìn)行應(yīng)力分析 57 球形封頭的應(yīng)力分析 57 橢圓形封頭的應(yīng)力分析 59 第六章 誤差分析和數(shù)據(jù)處理 62 62 62 62 數(shù)據(jù)處理 64 球形封頭的數(shù)據(jù)處理 64 橢圓形封頭的數(shù)據(jù)處理 67 誤差分析 71 第七章 結(jié) 論 73 參考文獻(xiàn) 75 致 謝 76 附錄A 命令流分析過程 77 77 79 82 84 四川理工學(xué)院畢業(yè)論文第一章 緒 論過程設(shè)備在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)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(guān)鍵設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的實驗應(yīng)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(yīng)用最廣泛的是電測法和光彈法。 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(jīng)過焊接，因而對焊接進(jìn)行質(zhì)量控制是整個容器質(zhì)量體系中極為重要的一環(huán)。因此，需要對壓力容器進(jìn)行合理分類。一般劃分標(biāo)準(zhǔn)為：極度危害(I級) 最高容許質(zhì)量濃度高度危害(11級) 最高容許質(zhì)量濃度中度危害(Ⅲ級) 最高容許質(zhì)量濃度輕度危害(Ⅳ級) 最高容許質(zhì)量濃度介質(zhì)毒性程度愈高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴(yán)重，對材料選用、制造、檢驗和管理的要求愈高。爆炸極限一般用可燃?xì)怏w或蒸氣在混合物中的體積分?jǐn)?shù)來表示。(2)按容器在生產(chǎn)中的作用分類根據(jù)壓力容器在生產(chǎn)工藝過程中的作用，可分為反應(yīng)壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器4種。如液氨儲罐、液化石油氣儲罐等。例如儲存易燃或毒性程度中度及以上危害介質(zhì)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(zhì)的壓力容器大得多。例如，歐盟97／23／EC《承壓設(shè)備法規(guī)》，根據(jù)允許工作壓力、最大允許工作溫度下的蒸氣壓力、介質(zhì)危害性、幾何容積或公稱尺寸、用途等因素，綜合確定承壓設(shè)備的危害程度，將承壓設(shè)備分為工、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類，并給出相應(yīng)的材料、設(shè)計、制造和檢驗要求。如果和壁厚相等的筒體連接，邊緣附近的最大應(yīng)力與薄膜應(yīng)力并無明顯不同。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(yīng)用廣泛。 （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。（2） 近似解由于求取精確解比較困難，那就通過其他途徑來求近似解，通常是采用能量原理與變分方法來尋求近似解。數(shù)值方法最常用的是差分法與有限元法。此外，還把結(jié)構(gòu)所受的各種載荷按一定方法化為等效的節(jié)點載荷。將電阻絲往復(fù)繞成特殊形狀（如柵狀），就可做成電阻應(yīng)變儀。采用一種具有雙折射性能的透明塑料，如環(huán)氧樹脂和聚碳酸酯，制成與被測試結(jié)構(gòu)幾何形狀相似的模型，模擬實際零件的受載情況，將受載后的塑料模型置于偏振光場中，即可獲得干涉條紋圖。由于隨角度變化， 若在bd截面上的經(jīng)向內(nèi)力為，在對應(yīng)截面ac上，因增加了微量，經(jīng)向內(nèi)力變?yōu)椤Ｔ谶@兩個圓錐面之間，殼體中面是寬度為dl的環(huán)帶。主要問題是如何確定第一和第二曲率半徑和，它們都是沿著橢球殼的經(jīng)線連續(xù)變化的。（2） 無力矩理論應(yīng)用條件為保證回轉(zhuǎn)薄殼處于薄膜狀態(tài)，殼體形狀、加載方式及支承一般應(yīng)滿足如下條件。 回轉(zhuǎn)薄殼的不連續(xù)效應(yīng)（1）不連續(xù)效應(yīng)與不連續(xù)分析的基本方法① 不連續(xù)效應(yīng) 工程實際中的殼體結(jié)構(gòu)，絕大部分都是由幾種簡單的殼體組合而成，即由球殼、圓柱殼、錐殼及圓板等連接組成。工程上常采用簡便的解法，把殼體應(yīng)力的解分解為兩個部分。顯然，兩殼體平行圓徑向位移不相等，但兩殼體實際是連成一體的連續(xù)結(jié)構(gòu)，因此兩殼體的連接處將產(chǎn)生邊緣力和邊緣力矩，并引起彎曲變形，見圖25（c）、(d)。第三章 用解析法分析封頭應(yīng)力 球形封頭應(yīng)力計算圖31 球形封頭實驗裝置上圖31實驗裝置中球形封頭的厚度，球形殼體上各點的第一曲率半徑和第二曲率半徑相等，即 .與之相連的筒體厚度t=8mm ,內(nèi)經(jīng)為。（2）當(dāng)容器容積相同時，球表面積最小，故大型儲罐制成球形較為經(jīng)濟。求在內(nèi)壓力分別為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa的作用下，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭上指定的各點的應(yīng)力大小？因為 即該橢球形殼體歸為薄殼根據(jù)式27 直邊段上的點按薄壁圓筒計算，由式26 點的選?。哼x取8個點，選點時先選擇特殊位置的點，如頂點處（x=0,y=b）,邊緣處（x=a，y=0）,壓應(yīng)力為零的點（在式27中，令，代入a、b、t、p，求出x=）,其余點的選取一定要考慮貼片的方便性，但應(yīng)注意的是由于在封頭與直邊過度的地方因受力較復(fù)雜，在這個區(qū)域應(yīng)適當(dāng)多選擇幾個點。(即邊緣處:，)。（8）在工程上除特殊情況外，一般均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，這樣即可提高設(shè)備零部件的互換性，也可提高設(shè)備制造的質(zhì)量和降低設(shè)備的成本。這一物理現(xiàn)象稱為金屬電阻絲的應(yīng)變電阻效應(yīng)。稱為柵長,b稱為柵寬。電阻溫度系數(shù)要小，而且要有足夠的穩(wěn)定性，以減小由溫度變化而引起的測量誤差。[3]。它的缺點是兩端有圓弧彎曲段，測量平面應(yīng)變時，橫向應(yīng)變(與敏感柵方向垂直的應(yīng)變)也引起圓弧段電阻變化，因此應(yīng)變計的電阻相對變化包含有橫向應(yīng)變影響成分，這種影響稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。采用膠基應(yīng)變片的防潮性能較好。為使用方便和保證各應(yīng)變片相對位置準(zhǔn)確，制造時先把二個或三個，甚至四個敏感柵按一定的相對位置排列在同一基底上，稱為電阻應(yīng)變花。 。一般應(yīng)變片的應(yīng)變極限在之間。用在同一荷載下，加載過程的應(yīng)變與卸載過程的應(yīng)變之差表示應(yīng)變片機械滯后的大小。（一）粘合劑選用粘合劑時，要考慮應(yīng)變片的工作環(huán)境溫度、濕度，有無化學(xué)腐蝕以及加溫，加壓固化的可能性等因素，同時還應(yīng)注意所用粘合劑是否與應(yīng)變片的基底材料相適應(yīng)。2．構(gòu)件表面處理（1）先用刮刀、銼刀或手提砂輪機清除構(gòu)件表面測點處的油漆、銹斑和不平等，使被測表面平整，然后用砂紙將表面打磨光，最好能用細(xì)砂紙打出與貼片方向成45176。約保持兩三分鐘即可將手松開，并注意應(yīng)變片的位置和方向不能移動。5．導(dǎo)線的固定和焊接(1)在每個應(yīng)變片的引出線下面貼一塊絕緣膠布，面積約1010平方毫米即可，用以防止引出線和金屬構(gòu)件短路。在室內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)變測量時，只需在應(yīng)變片和裸露在外的焊點處封以石蠟(或凡士林)即可。,為應(yīng)變儀內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻，對于的變化僅考慮工作片隨容器受壓時應(yīng)變引起的電阻變化?？捎糜跍y量實物與模型的表面應(yīng)變，就有很高的靈敏度和精度，由于它在測量時輸出的是電信號，因此易于實現(xiàn)測量數(shù)值化和自動化，并可進(jìn)行無線電遙測；既可用于靜態(tài)應(yīng)力測量，也可用于動態(tài)應(yīng)力測量，而且高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)等特殊條件下可進(jìn)行測量。在平衡箱上2表示第1點的徑向和環(huán)向，4表示第2點的徑向和環(huán)向，以此類推，可測出8個點的徑向和環(huán)向應(yīng)力，由此可以大致得出封頭和直邊應(yīng)力分布情況?！皽y量”按鈕，背后轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“轉(zhuǎn)換器”擋，拔掉電橋盒，通過連接線與平衡箱連接，（本實驗）。是理想的結(jié)構(gòu)形式。4）筒體的經(jīng)向應(yīng)力是周向應(yīng)力的一半。這樣一來，求解原待求場函數(shù)的無窮多自由度問題轉(zhuǎn)換為求解場函數(shù)結(jié)點值的有限自由度問題。如果單元是滿足收斂準(zhǔn)則的，則近似解最后收斂于原數(shù)學(xué)模型的精確解。有限元方法中的基函數(shù)是在單元中選取的，由于各單元具有規(guī)則的幾何形狀，在選取基函數(shù)時可遵循一定的法則。 前處理前處理是指創(chuàng)建實體模型以及有限元模型。需要強調(diào)的是，除了磁場分析以外不需要告訴ANSYS使用的是什么單位制，只需要自己決定使用何種單位制，然后確保所有輸入值的單位制統(tǒng)一，單位制影響輸入的實體模型尺寸、材料屬性、實常數(shù)及載荷等。(4)在其他軟件中創(chuàng)建有限元模型，然后將節(jié)點和單元數(shù)據(jù)讀入ANSYS。(7)求解有限元方程：根據(jù)邊界條件修正的總體有限元方程組是含所有待定未知量的封閉方程組，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計算方法求解，可求得各節(jié)點的函數(shù)值[6]。區(qū)域單元劃分是采用有限元方法的前期準(zhǔn)備工作，這部分工作量比較大，除了給計算單元和節(jié)點進(jìn)行編號和確定相互之間的關(guān)系之外，還要表示節(jié)點的位置坐標(biāo)，同時還需要列出自然邊界和本質(zhì)邊界的節(jié)點序號和相應(yīng)的邊界值。圖53所示為一個熱應(yīng)力問題。而每個單元內(nèi)的近似函數(shù)由未知場函數(shù)(或其導(dǎo)數(shù))在單元各個節(jié)點上的數(shù)值和與其對應(yīng)的插值函數(shù)來表達(dá)。且頂點處的經(jīng)向應(yīng)力比邊緣處的經(jīng)向應(yīng)力大一倍。，應(yīng)先卸壓，在重新調(diào)節(jié)平衡，方法同上[4]。0000，這時，將“粗、細(xì)”開關(guān)應(yīng)置于“細(xì)”，若調(diào)零無法調(diào)到177。四．實驗過程本實驗主要是測定圓柱筒體和球形封頭及橢圓形封頭的主應(yīng)力及分布情況。在實際工程中，不少結(jié)構(gòu)由于形狀和受力較復(fù)雜，進(jìn)行理論分析時，困難較大，或是對于一些重要結(jié)構(gòu)在進(jìn)行理論分析的同時，還需對模型或?qū)嶋H結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測定，以驗證理論分析的可靠性和設(shè)計的精確性；所以，實驗應(yīng)力分析在壓力容器的應(yīng)力分析和強度設(shè)計中有十分重要的作用。一般是粘貼在與被測構(gòu)件相同的“補償極”上，但補償版不受力作用。用高阻表測量應(yīng)變片的引出線和金屬試件之間的絕緣電阻，一般應(yīng)大于lOO兆歐姆。4．粘合劑的固化處理對粘貼好的應(yīng)變片，按粘合劑的固化程序要求進(jìn)行固化處理。(2)在已清洗過的貼片處和應(yīng)變片的基底上，各涂一層薄薄的粘合劑，稍待一段時間(此時間由粘合劑的種類而定)，然后將應(yīng)變片放在測點上并仔細(xì)對準(zhǔn)位置和方向。（二）應(yīng)變片的粘貼工藝1．應(yīng)變片的檢查首先對應(yīng)變片進(jìn)行外觀檢查，觀察敏感柵是否有損壞、銹蝕斑痕、彎折以及引出線的焊點質(zhì)量等方面。五．應(yīng)變片的粘貼工藝應(yīng)變片的粘貼工藝，是應(yīng)變片電測試驗中非常重要的一個環(huán)；應(yīng)變片粘貼得好壞，直接影響到構(gòu)件表面的應(yīng)變能否正確、可靠地傳遞到敏感柵。(七) 機械滯后粘貼在測點的應(yīng)變片，在恒定溫度下，加載過程的荷載與應(yīng)變片反映的應(yīng)變關(guān)系曲線和卸載過程的荷載與應(yīng)變片反映的應(yīng)變關(guān)系曲線不重合。該系數(shù)由在一批生產(chǎn)的應(yīng)變片中抽樣(一批應(yīng)變片總數(shù)之1％)作實驗測定。除上述幾種應(yīng)變片外，還有各種特殊用途的應(yīng)變片，例如低溫應(yīng)變片，高溫應(yīng)變片、水下應(yīng)變片、極坐標(biāo)應(yīng)變片，半導(dǎo)體應(yīng)變片、應(yīng)力片等，茲不贅述。此外箔材的寬度較大，粘貼牢固，散熱條件好，應(yīng)變片可通過較大的電流。制成的膠基短接式應(yīng)變片如圖43所示。制成的電阻應(yīng)變片的形狀和結(jié)構(gòu)，如圖42所示。紙基應(yīng)變片易粘貼，而且價格便宜，但防潮性能不如膠基應(yīng)變片好。電阻率要高，以便制造小型應(yīng)變片。為了測量被測構(gòu)件上“一點”處的應(yīng)變，要求應(yīng)變片的尺寸要小，而測量電路卻要求應(yīng)變片必須具有一定的電阻值(一般在120歐姆左右)。單位為。當(dāng)時，橢圓形封頭中的最大應(yīng)力還將增大，其環(huán)向應(yīng)力的最大值（絕對值）將從橢球頂移至橢球周邊處。表示為壓應(yīng)力；值越大，即封頭成型越淺，x=a處的壓應(yīng)力越大。 （5）隨著內(nèi)壓的成倍增加，球形封頭和圓筒的應(yīng)力也成倍數(shù)增大。表31 球形封頭的應(yīng)力值點號應(yīng)力符號1MPa2MPa3MPa4MPa5MPA1(x=0)2(x=40)3(x=80)4(x=110)5(x=130)6(x=150)7(x=156)8(x=) 球形封頭的應(yīng)力分析根據(jù)上述計算結(jié)果可得以下結(jié)論：（1）在直徑和內(nèi)壓相同的情況下，球殼內(nèi)的應(yīng)力僅是圓筒形殼體環(huán)向應(yīng)力的一半，即球形殼體的厚度僅需圓筒容器厚度的一半。這種性質(zhì)稱為不連續(xù)應(yīng)力的局部性。現(xiàn)以圖25所示一半球殼與圓柱殼連接的組合殼為例說明。分析組合殼不連續(xù)應(yīng)力的方法，在工程上稱為“不連續(xù)分析”。在很多的實際問題中，一方面按無力矩理論求出問題的解，另一方面對彎矩較大的區(qū)域再用有力矩理論進(jìn)行修正。這個現(xiàn)象應(yīng)采用整體或局部增加厚度及局部采用環(huán)狀加強構(gòu)件措施加以預(yù)防。.將，代入式（23）和式（24）得 （26）顯然，式（26）與前截面法求的結(jié)果相同，薄壁圓筒中，周向應(yīng)力是周向應(yīng)力的2倍。必須再找一個補充方程，此方程可從部分容器的靜力平衡條件中求的。該微元的經(jīng)線弧長（）為 與殼體正交的圓錐面截線長為 微元體abdc的面積為 殼體承受軸對稱載荷，與殼體表面垂直的壓力為 據(jù)回轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論，微元截面上僅產(chǎn)生經(jīng)向和周向內(nèi)力、。例如，應(yīng)變片位置的偏差，應(yīng)變片與殼壁接觸的緊密程度，應(yīng)變片與導(dǎo)線的焊接質(zhì)量，環(huán)境、溫度的變化等。實驗應(yīng)力分析的方法很多，但最常用的兩種方法是電測法和光彈性法。即把連續(xù)的彈性體設(shè)想為由許多，然而又是有限個單元組成；這些單元形狀簡單，每個單元上有若干個節(jié)點，各個單元僅在節(jié)點處按一定方式相互聯(lián)系、相互作用。 求近似解還基于這樣的原理：對于一個處于平衡狀態(tài)的彈性體，其位移必使位能取得最小值，而應(yīng)力分量將使余能取得最小值。對于壓力容器和其他承壓結(jié)構(gòu)常用的應(yīng)力分析方法見下所述。缺點：球面與圓筒連接處沒有轉(zhuǎn)角過渡，所以在連接處附近的封頭和圓筒上都存在相當(dāng)大的不連續(xù)應(yīng)力，其應(yīng)力分布不甚合理。（3） 蝶形封頭