【正文】 多的設(shè)計規(guī)范所采用。 等截面積補(bǔ)強(qiáng)法 （ 1） 適用范圍 適用范圍如下表 10 所示。 表 9 接管最小壁厚 公稱直徑 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小壁厚 注： 540b MPa? ? 時，接管與殼體的連接宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)型式。 圖 7 與壓力容器聯(lián)接裝置圖 第 五 章 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計 為了滿足工藝操作、容器制造、安裝、檢驗及維修等要求，在壓力容器上開孔是不可避免的。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 39 頁 圖 6 封頭與筒體聯(lián)接的模擬圖 作為聯(lián)接件的螺栓，是法蘭密封結(jié)構(gòu)中的主要受力元件，要求螺栓材料具有高的強(qiáng)度，好的韌性。橢圓形封頭制造靈活性大，錐形封頭的錐頂尖部分很難卷制，當(dāng)錐頂角較小時，為了避免制造上的困難和減小錐體高度，有時可以采用組合封頭（如加圓球面頂）。 蝶形封頭在力學(xué)上的最大缺點在于具有較小的折邊半徑 r，這一折邊區(qū)的存在使得封頭的經(jīng)線不連續(xù)，以致使該處產(chǎn)生較大的徑向彎曲應(yīng)力和周向壓應(yīng)力。 在理論分析時平板的周邊支承被視為固支或 簡支 ，但實際上平蓋與圓筒連接時，真實的支承 既不是固支也不是簡支，而是介于固支和簡支之間，最大應(yīng) 力出現(xiàn)的位置與具體的連接結(jié)構(gòu)和筒體的尺寸有關(guān)。就強(qiáng)度而論錐形封頭的結(jié)構(gòu)并不理想，但是封頭的型式在很多場合還決定容器的使用要求。并把它直接焊在筒體上，這就構(gòu)成了球冠形封頭。雖然由于過渡段的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，但在三部分連接處，由于經(jīng)線曲率發(fā)生突變，在過渡區(qū)邊界上不連續(xù)應(yīng)力比內(nèi)壓薄膜應(yīng)力大得多，故受力狀況不佳。若厚度取與圓筒一樣大小，則由前面的不連續(xù)分析可知，兩者連 接處的最大應(yīng)力比圓筒周向薄膜應(yīng)力大 ％，故從受力來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量亦較大。由于本畢業(yè)設(shè)計選擇的是無縫鋼管作為殼體材料，所以此處 ? 取 1。綜上所述本畢業(yè)設(shè)計選用 35 號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的無縫鋼管。硬鋼 強(qiáng) 度高，但塑性差，脆性大，從加載到突然拉斷，基本上不存在屈服階段。 沖擊韌性高的高低，取決于材料有無迅速變形的能力 。壓力容器材料的冷加工性能一般還用冷彎試驗衡量，冷彎性能的好壞也能反映材料塑性的高低。沖擊韌性是指材料在受到外加沖擊載荷的作用下，斷裂時消耗的功除以試樣缺口斷面面積而得到的商值。 從性能方面考慮，下述原則可供參考：以剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計為主的設(shè)備，受壓容器應(yīng)選用普通碳素鋼，以強(qiáng)度設(shè)計為主的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)性質(zhì)等使用限制，依次 選用 Q235— 、 Q235— A、 Q235— B、 Q235— C、 20R、 16MnR 等鋼板；以強(qiáng)度設(shè)計為主的普通碳素鋼壓力容器，當(dāng)板厚大于 或等于 8mm 時，可選用 16MnR等普通低合金鋼；鉻鉬低合金鋼可作為設(shè)計溫度 350~550oC 的壓力容器耐熱鋼或大于250oC 的高溫高壓抗氫用鋼；不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)、防鐵離子污染或設(shè)計溫度大于 500oC 的耐熱用鋼 （ 2） 材料問題的討論 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 39 頁 為能選擇合適的材料制造壓力容器，保證壓力容器安全正常地進(jìn)行工作，必須首先了解材料的基本性能 [10]。 表 3 中、美兩國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中壓力限定值比較（ MPa） 中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn) ASME 標(biāo) 準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)名稱 壓力限定 標(biāo)準(zhǔn)名稱 推薦壓力范圍 GB 150《鋼制壓力容器》 ≤ 35 ASMEⅧ 1 ≤ 20 JB 4732《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 ＜ 100 ASMEⅧ 2 ≤ 70 ASMEⅧ 3 ﹥ 70 ② 安全系數(shù)。 JB 4732《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的基本思路與 ASME Ⅷ — 2 相同。 具體說，對于容器中存在的一次局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力以及他們的組合，采用極限分析和安定性分析準(zhǔn)則將這些應(yīng)力控制在與使用經(jīng)驗相吻合的安全水平。高溫條件下鋼材許用應(yīng)力“ [ζ]t”的確定是蠕變理論在規(guī)則設(shè)計中的具體應(yīng)用。 ⑥ 蠕變失效準(zhǔn)則 。 對于承受疲勞載荷的壓力容器而言，通常要求采用正火鋼板且對鋼板逐張進(jìn)行超聲波檢測Ⅲ級合格，大多都要求對焊接接頭進(jìn)行百分之百無損檢測并對設(shè)備進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。 GB 150 對內(nèi)壓錐形和封頭和圓筒的連接、無折邊球形封頭對圓筒的連接等件的設(shè)計公式和圖表，都是按彈塑性變形失效原理制定的。 GB 150 對平板、對整體法蘭（包括按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭）連接的圓筒（或接管）頸部等原件的設(shè)計或應(yīng)力計算公式，都是按塑性失效原理制定的。 ② 塑性失效準(zhǔn)則 。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 39 頁 在壓力和溫度作用下喪失了正常的工作能力為失效，失效的最終表現(xiàn)形式為泄露、過度變形和斷裂，所以失效不完全等同于破壞。 ① 一次應(yīng)力 中的總體薄膜應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度小于或等于許用應(yīng)力，即（ Pm） ≤ [ζ]。 其特點也有兩個：一是滿足變形條件；二是自限性。 一次局部薄膜應(yīng)力 （ primary local membrane stress） PL。進(jìn)一步又可分為一次總體薄膜應(yīng)力，一次總體彎曲應(yīng)力??二次應(yīng)力也一樣，但如果對選擇恰當(dāng)?shù)脑S用應(yīng)力沒有影響， 就不必再細(xì)分了。此外，作為一種生產(chǎn)工藝設(shè)備，有些壓力容器，如 用于化學(xué)反應(yīng)、傳熱、分離等工藝過程的壓力容器，其殼體內(nèi)部還裝有 工 藝所要求的內(nèi)件。 三類容器：屬下列情況之一者為三類容器。 （ 2） 按容器承受的介質(zhì)壓力來分 對于圓筒形容器， ≤ p。裝置組成 如 圖 2所示。 實驗系統(tǒng)中使用的氣體發(fā)生器為機(jī)械式氣體發(fā)生器 , 其設(shè)計和制造是一個比較復(fù)雜的過程。 雖然安全氣囊 在結(jié)構(gòu)上會有所不同，但其工作原理基本一致。 。碰撞傳感器主要有三種類機(jī)械式傳感器在早期的安全氣囊中使用較多，主要應(yīng)用慣性原理，利用傳感器中元件的慣性力克服彈簧力來中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 39 頁 觸發(fā)氣體發(fā)生器。 自由落體式測試裝置系統(tǒng)在國內(nèi)尚屬空白 。 在 20 世紀(jì) 80 年代末，我國一批從事汽車碰撞安全和軍工研究的專家與學(xué) 者開始關(guān)注汽車安全氣囊的研究與發(fā)展 。所以，歐洲的公司只生產(chǎn)小尺寸氣囊。這樣提高的費用，削弱了我國的安全氣囊在市場上的競爭力。安全氣囊作為一種安全配置，以其較高的安全性已經(jīng)逐漸在各類轎車上普及 ,并迅速發(fā)展成為一個全新的高科技產(chǎn)業(yè)。 汽車安全氣囊及其性能測試國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 汽車安全氣囊的初步想法產(chǎn)生于美國。為了保證氣囊的氣密性，在其內(nèi)表面涂復(fù)薄薄一層合成橡膠或硅橡膠。在十多年的研究與發(fā)展過程中，國內(nèi)許多大學(xué)與公司的安全氣囊的研究與產(chǎn)品已初具基礎(chǔ)，其中部分研究與技術(shù)已接近國際水平 [2]。國外對汽車安全氣囊性能測試裝置設(shè)計主要為彈簧式、自由落體式等。 機(jī)電式傳感器采用機(jī)電結(jié)合的方式，將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為電子信號，再利用電子信號點 爆安全氣囊?；旌鲜綒怏w發(fā)生器是壓縮氣體式和煙火式相結(jié)合的發(fā)生器，也是目前廣泛應(yīng)用一種氣體發(fā)生器。 安全氣囊根據(jù)安裝的位置及保護(hù)對象不同，主要分為：對駕駛員進(jìn)行保護(hù)的氣囊 ，裝在方向盤內(nèi)，防止駕駛員與轉(zhuǎn)向盤、儀表板及前擋風(fēng)玻璃發(fā)生碰撞；對前排乘員進(jìn)行保護(hù)的氣囊，裝在儀表板內(nèi)，防止乘員與儀表板、前擋風(fēng)玻璃發(fā)生碰撞；對后排乘員進(jìn)中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 39 頁 行保護(hù)的氣囊，一般安裝在前排座椅的靠背上后部或頭枕內(nèi)部，防止乘員與前排座椅發(fā)生碰撞。 該套模擬整車 撞擊的系統(tǒng)主要由臺架系統(tǒng)、密閉充氣筒及其電磁控制機(jī)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。 5ms的閾值要求時 ,該碰撞過程就會引爆裝在 筒內(nèi)的氣體發(fā)生器 ,氣體發(fā)生器將被點火信號引燃并迅速產(chǎn)氣。 （ 3） 按容器壁厚分 根據(jù)容器外徑 Do和內(nèi)徑 Di的比值 K（ K=Do/Di）將容器分為薄壁容器（ K≤ ）和厚壁容器（ K）。 m3的中壓反應(yīng)容器和 pV ≥ 10MPa分析設(shè)計認(rèn)為：有彈性計算求得的各類應(yīng)力對結(jié)構(gòu)破壞所起的作用是不同的，因而，他們的 重要性即導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的危險性也不同。 由于外載荷作用而在容器部件內(nèi)產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力 [5]。 一次彎曲應(yīng)力 （ primary bending stress） Pb。 由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，而加到一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量 [5]。 ④ 一次應(yīng)力 中的總體薄膜應(yīng)力或局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力與二次應(yīng)力之和的應(yīng)力強(qiáng)度≤ 3[ζ]，即 Pm（ PL） ＋ Pb＋ Q≤ 3[ζ]（在規(guī)則設(shè)計中， [ζ]= ζs／ ，在分析設(shè)計中 [ζ]= ζb／ ） 。 ① 彈性失效準(zhǔn)則 。它規(guī)定了全屈服壓力是容器失效的最高壓力。按照應(yīng)力分類的概念，當(dāng)容器邊緣地區(qū)出現(xiàn)一定量的局部塑性變形時，即為容器承載的極限狀態(tài)。當(dāng)設(shè)計規(guī)定要求考慮容器的疲勞問題時，除對容器進(jìn)行強(qiáng)度計算外，還需進(jìn)行疲勞設(shè)計，即進(jìn)行容器壽命計算。 是按照斷裂力學(xué)概念，以造成容器低應(yīng)力脆斷時的應(yīng)力或裂紋尺寸作為臨界狀態(tài)的一種計算準(zhǔn)則。當(dāng)其蠕變速率（或等效蠕變應(yīng)力）達(dá)到一定值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。對腐蝕失效的控制 實質(zhì)上就是根據(jù)介質(zhì)特性正確地選用合適的材料及合適的防腐蝕措施。 壓力容器設(shè)計有兩種方法，即規(guī)則設(shè)計法和 分析設(shè)計法。下面以 ASME 標(biāo)準(zhǔn)為例進(jìn)行比較。 壓力容器 殼體形狀選擇 圓筒形殼體應(yīng)力分布比較均勻，承載能力高，較球形殼體容易制造，也便于內(nèi)件的設(shè)置和拆卸，并且藥包在載物臺上放置的部位要使爆炸時殼體內(nèi)壁各處受到的沖量盡可能相等或?qū)ΨQ，所以在這種情況下，根據(jù)我們的實際需要，本畢業(yè)設(shè)計選擇圓筒形殼體。屈服強(qiáng)度 ζs 表現(xiàn)材料發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力，反映材料抗微量塑性變形的能力。材料遭受腐蝕后，其質(zhì)量、厚度、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)及電極過程等都都可能發(fā)生變化，其變化程度可以衡量材料的耐腐蝕性能。如高溫容器要用熔點高的材料， 要進(jìn)行換熱的容器要用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，如此可以節(jié)省材料。下圖 5 給出了幾種鋼材的動態(tài)屈服應(yīng)力試驗曲線。下表 4給出了 35 號和 45 號優(yōu)質(zhì)碳素中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 39 頁 結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能的一些數(shù)據(jù)。 10%。所依據(jù)以上分析可以算出： 圓筒殼體設(shè)計壁厚： mm? 圓筒殼體名義壁厚： 13nS mm? 圓筒殼體有效壁厚： mm? 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 39 頁 圓筒殼體 的 最大允許工作壓力 []wp 為 ： 2 [ ] 2 9 . 6 1 0 5[ ] 6 . 3 8 5 . 5( 3 2 5 2 9 . 2 ) 9 . 6tewieSp M P a M P aDS ?? ??? ? ? ?? ? ? ? 壓力容器封頭設(shè)計 封頭是容器的重要組成部分，常見的有凸形封頭、錐形封頭和平板封頭。但是考慮到球面部分與過渡區(qū)聯(lián)接處的局部高應(yīng)力，規(guī)定碟形封頭球面部分的半徑一般不大于筒體內(nèi)徑，而折邊內(nèi)半徑 r在任何情況下均不得小于筒體內(nèi)徑的 10％，且應(yīng)不小于 3 倍封頭名義壁厚。 雖然橢圓形封頭各點曲率半徑不一樣，但變化是連續(xù)的，受內(nèi)壓時，薄膜應(yīng)力分布沒有突變。在球面與圓筒連接處其曲率半徑發(fā)生突變，且兩殼體因無公切線而存在橫向推力，所以產(chǎn)生相當(dāng)大的不連續(xù)應(yīng)力，這種封頭一般只能用于壓力不高的場合。平板封頭屬于平板類 構(gòu)件，壓力容器中很多部件是由平板或環(huán)板構(gòu)成，例如人孔和手孔蓋、板式塔的塔盤、換熱器的管板、平焊法蘭等。下表 7 為結(jié)構(gòu)特征系數(shù) K 選擇。 錐形封頭在容器中采用的目的是錐形殼體有利于流體均勻分布和排料，錐形封頭就力學(xué)特點來說，錐頂尖部分強(qiáng)度很高，在錐頂尖開孔一般不需補(bǔ)強(qiáng)。所以，本畢業(yè)設(shè)計選擇平板封頭?？紤]螺母的更換比螺栓容易，螺栓材料強(qiáng)度通常比螺母高，本畢業(yè)設(shè)計選擇 35 CrMoA 作為螺栓材料，配用螺母材料可選 35 鋼或 40 Mn。因此，壓力容器設(shè)計中必須充分考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)問題。 ① 內(nèi)加強(qiáng)接管 補(bǔ)強(qiáng)金屬配置在容器或接管的內(nèi)側(cè) ； ② 外加強(qiáng)接管 補(bǔ)強(qiáng)金屬配置在容器或接管的外側(cè) ； ③ 對稱加強(qiáng)的凸出接管 補(bǔ)強(qiáng)金屬對稱低配置在接管插入或外伸側(cè) ； ④ 密集補(bǔ)強(qiáng) 補(bǔ)強(qiáng)金屬集中配置在接管與容器連接處。 因開孔而削弱的金屬面積： 2 ( ) (1 )n t rA d C f? ? ?? ? ? ? 式中： A — 因開孔而削弱的金屬截面積， 2mm ； ? — 殼體的計算壁厚 mm； d — 考慮腐蝕裕度后的開孔內(nèi)直徑， mm； C — 厚度附加量， mm； rf — 強(qiáng)度削弱系數(shù)， mm； 超出計算厚度的金屬面積： 1 ( ) [ ( ) ] 2( ) ( ) ( 1 )n n t n rA B d C C C f? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 2 22 [ ( ) ] 2 ( C )n t t r n t rA h C f h C f? ? ?? ? ? ? ? ? 式中： 1A — 殼體多余金屬截面積， 2mm ； 2A — 接管多余截面積， 2mm ； ? — 殼體計算壁厚， mm； n? — 殼體的實際壁厚，