【正文】 力容器的結(jié)構(gòu)上圖11這臺壓力容器可分解為筒體、封頭、支座、開孔接管、密封裝置、安全附件等六大部件，筒體和封頭的作用是提供所需的承壓空間；密封裝置的作用是便于內(nèi)件的裝拆和檢修以及容器內(nèi)表面的檢測；支座用于支承壓力容器；安全附件主要是防止壓力容器超壓、超溫；開孔接管主要用于物料進(jìn)出、提供檢查和控制件接口。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(yīng)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(yīng)于圓平板、環(huán)形板（外半徑與內(nèi)半徑之差大于10倍的板厚）、環(huán)（外半徑與內(nèi)半徑之差小于10倍的板厚）以及彈性基礎(chǔ)圓平板。 本章在介紹壓力容器的總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合介質(zhì)的危害程度、操作條件及容器在生產(chǎn)中的作用，較為全面地闡述壓力容器分類方法，最后著重介紹凸形封頭常用的幾種形式，以及每種形式的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點。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。由于壓力容器在社會各行各業(yè)的生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)确矫婢哂胁豢扇〈牡匚?，因此，為保證壓力容器工作時的安全，對球形封頭和橢圓形封頭進(jìn)行應(yīng)力分析及測定課題的研究是十分必要的。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(yīng)力最小，兩向薄膜應(yīng)力相等，而且沿經(jīng)線是均勻分布的。但從結(jié)構(gòu)上講，過程設(shè)備是由承受一定壓力的外殼（壓力容器）和各種各樣的內(nèi)件組成，而壓力容器是整個過程設(shè)備的關(guān)鍵部件，因此人們對壓力容器研究不斷深入。球形封頭與橢球形封頭應(yīng)力測定及分析畢業(yè)設(shè)計目 錄摘 要 IABSTRACT II第一章 緒 論 1 壓力容器的總體結(jié)構(gòu) 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(yīng)力分析方法 8 解析方法 8 數(shù)值方法 9 實驗應(yīng)力方法 10 第二章 壓力容器的應(yīng)力分析 11 無力矩理論的基本方程 11 無力矩理論的應(yīng)用 13 回轉(zhuǎn)薄殼的不連續(xù)效應(yīng) 16 第三章 用解析法分析封頭應(yīng)力 19 19 球形封頭應(yīng)力計算 19 球形封頭的應(yīng)力分析 20 21 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的應(yīng)力計算 21 22 第四章 用實驗法進(jìn)行應(yīng)力分析 24 電測法 24 電阻應(yīng)變片 24 電阻應(yīng)變儀 32 封頭內(nèi)壓應(yīng)力測定實驗 34 第五章 用有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析 40 ANSYS理論基礎(chǔ)（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(yīng)力分析 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。一些高新技術(shù)領(lǐng)域，如航空航天技術(shù)、先進(jìn)能源技術(shù)、先進(jìn)防御技術(shù)等，也離不開過程設(shè)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(jù)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。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)力并無明顯不同等優(yōu)點被廣泛用于壓力較高、直徑較大的高壓容器和特殊需要的場合；而橢圓形封頭經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻，而橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多的封頭。目前應(yīng)力分析方法有解析方法、數(shù)值方法、實驗應(yīng)力方法。而本次研究將以解析法、電測法、有限元分析法分別進(jìn)行應(yīng)力分析，這種實驗與理論相結(jié)合，用實驗來驗證理論分析的正確性，并借助計算機進(jìn)行分析的方法，當(dāng)前被廣泛使用。 壓力容器的總體結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)。上述7種殼和4種板可以組合成各種壓力容器結(jié)構(gòu)形式，在加上密封元件、支座、安全附件等就構(gòu)成了一臺完整的壓力容器。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(yù)緊力，承受壓力、溫度等載荷產(chǎn)生的作用力。雖然焊接質(zhì)量控制還涉及許多焊接工藝過程問題，但設(shè)計環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和確定無損檢測方法、比例及要求。由于壓力容器的特殊性，可以說它對焊接質(zhì)量的要求是所有焊接設(shè)備中要求最高的一種。 壓力容器分類壓力容器的使用范圍廣、數(shù)量多、工作條件復(fù)雜，發(fā)生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度愈高，壓力容器材料、設(shè)計、制造、檢驗、使用和管理的要求也愈高。 介質(zhì)危害性指介質(zhì)的毒性、易燃性、腐蝕性、氧化性等，其中影響壓力容器分類的主要是毒性和易燃性。毒性大小一般以化學(xué)物質(zhì)引起實驗動物某種毒性反應(yīng)所需要的劑量來表示。所需劑量的濃度愈低，表示毒性愈大。所謂最高容許濃度是指從醫(yī)學(xué)水平上，認(rèn)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。如Q235一B鋼板不得用于制造毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的壓力容器；盛裝毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的容器制造時，碳素鋼和低合金鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測，整體必須進(jìn)行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應(yīng)進(jìn)行100％射線或超聲檢測，且液壓試驗合格后還得進(jìn)行氣密性試驗。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(nèi)部介質(zhì)為中度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓力應(yīng)不小于1．0MPa；內(nèi)部介質(zhì)為高度或極度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓力應(yīng)不小于1．6MPa，且還應(yīng)盡量選用帶頸對焊法蘭等。研究表明，當(dāng)混合物中可燃?xì)怏w含量滿足完全燃燒條件時，則其燃燒反應(yīng)最為劇烈?？扇?xì)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。爆炸下限小于10％，或爆炸上限和下限之差值大于等于20％的介質(zhì)，一般稱為易燃介質(zhì)，如甲烷、乙烷、乙烯、氫氣、丙烷、丁烷等。壓力容器盛裝的易燃介質(zhì)主要指易燃?xì)怏w和液化氣體。易燃介質(zhì)壓力容器的所有焊縫（包括角焊縫）均應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)世界各國規(guī)范對壓力容器分類的方法各不相同，本節(jié)著重介紹中國《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的分類方法。內(nèi)壓容器又可按設(shè)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(dāng)容器的內(nèi)壓力小于一個絕對大氣壓(約0．1MPa)時又稱為真空容器。具體劃分如下。②換熱壓力容器(代號E) 主要是用于完成介質(zhì)熱量交換的壓力容器。③分離壓力容器(代號S) 主要是用于完成介質(zhì)流體壓力平衡緩沖和氣體凈化分離的壓力容器。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(zhì)的壓力容器。在一種壓力容器中，如同時具備兩個以上的工藝作用原理時，應(yīng)按工藝過程中的主要作用來劃分品種。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。②移動式壓力容器也稱為經(jīng)常搬運的壓力容器，諸如汽車槽車、鐵路槽車、槽船等。(4)按安全技術(shù)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(shè)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。壓力容器的危害性還與其設(shè)計壓力P和全容積V的乘積有關(guān)，pV值愈大，則容器破裂時爆炸能量愈大，危害性也愈大，對容器的設(shè)計、制造、檢驗、使用和管理的要求愈高。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(zhì)）；C中壓儲存容器（僅限易燃或毒性程度為中毒危害介質(zhì)，且PV乘積大于等于）；D 中壓反應(yīng)容器(僅限易燃或毒性程度為中毒危害介質(zhì)，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(zhì)，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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)）；C 低壓反應(yīng)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(zhì)）；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。例如因盛放的介質(zhì)特性或容器功能不同，即根據(jù)潛在的危害性大小，低壓容器可被劃分為第一類或第二類甚至第三類壓力容器。采用國際標(biāo)準(zhǔn)或國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計壓力容器時，應(yīng)采用相應(yīng)的分類方法。又如1993年頒布的日本JISB8270《壓力容器(基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn))》，依據(jù)設(shè)計壓力和介質(zhì)危害性將壓力容器分成3個等級：第三類壓力容器的等級最低，適用范圍為設(shè)計溫度不低于0~C，設(shè)計壓力小于1MPa；第二類壓力容器的設(shè)計壓力小于30MPa；而第一類壓力容器的設(shè)計壓力一般應(yīng)小于100MPa。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(fēng)頭、橢圓形封頭、蝶形封頭和球冠形封頭。（1） 半球形封頭結(jié)構(gòu)：半球形封頭為半個球殼。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(yīng)力最小，兩向薄膜應(yīng)力相等，而且沿經(jīng)線是均勻分布的。缺點：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也較大。（2） 橢圓形封頭結(jié)構(gòu)：由半個橢球面和短圓筒組成。橢圓形封頭經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻，而橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，應(yīng)用：是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多的封頭。如下圖（c）所示，對于標(biāo)準(zhǔn)蝶形封頭。缺點：不連續(xù)曲面，存在較大邊緣彎曲應(yīng)力。（4） 球冠形封頭結(jié)構(gòu)：蝶形封頭當(dāng)時，即成為球冠形封頭。如下圖(d)所示優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。應(yīng)用：常用作容器中兩獨立受壓室的中間封頭，也可用作端蓋。缺點：結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力分布不理想應(yīng)用：在中、低壓容器中使用較為普遍。 應(yīng)力分析方法應(yīng)力分析的目的就是求出結(jié)構(gòu)在承受載荷（機械載荷、溫度載荷等）以后，結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力分布情況，找出最大應(yīng)力點或求出當(dāng)量應(yīng)力值，然后對此進(jìn)行評定，以把應(yīng)力控制在許用范圍之內(nèi)。要達(dá)到上述目的，必須采用一定的方法，尤其是要知道結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的應(yīng)力分布情況，因此，選用合適的應(yīng)力分析方法進(jìn)行求解便是必不可少的。 解析方法（1） 精確解在解決彈性力學(xué)問題時，通常是已知：①結(jié)構(gòu)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(nèi)壓力、表面力、體積力、溫度載荷等；④結(jié)構(gòu)的約束情況，有了這些條件，從理論上講，就可以用彈性力學(xué)方法，通過平衡方法、幾何方程、物理方程、變形協(xié)調(diào)方程及邊界條件求得問題解答，這個解也是問題的精確解。 所謂變分，簡單來說就是對泛函求極值。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(yīng)。當(dāng)我們把欲求的函數(shù)（近似解）代入位能或余能表達(dá)式即成為泛函。 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。在有限元法未發(fā)展之前，差分法在數(shù)值計算方面曾起過重要作用，用差分法進(jìn)行應(yīng)力分析的文章也屢見不鮮。實際上也是一種離散化處理方法。（2） 有限元法有限元法可以說是對問題的一種物理近似法，它與差分法不同的是，它不涉及原有的微分方程，而是從能量原理出發(fā)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理。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(yīng)當(dāng)遵守的條件。實際上，這就是把無限自由度的連續(xù)體的力學(xué)計算變成在有限多個節(jié)點上某些參數(shù)的計算。有限元法按照所依據(jù)的能量原理的不同，可分為：位移法、力法、雜交法與混合法。 實驗應(yīng)力方法 理論計算或數(shù)值計算模型都經(jīng)過一定的簡化，用實驗應(yīng)力分析方法直接測量計算部位的應(yīng)力，是驗證計算結(jié)果可靠性的有效方法。（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。測量前，將電阻應(yīng)變片用特殊的膠合劑粘貼在欲測應(yīng)變的部位，當(dāng)殼體受到載荷作用發(fā)生變形時，電阻應(yīng)變片中的電阻絲隨之一起變形，導(dǎo)致電阻絲長度及截面積的改變，從而引起其