压力容器设计总复习思考题.doc

简答题

1、压力容器失效形式有几种？（书P109-110）

Re:压力容器实效形式有四种：

（1）强度失效：因为材料屈服或断裂引起的失效。

（2）刚度失效：容器发生弹性变形，导致运输、安装困难或丧失正常工作能力

（3）稳定失效（失稳失效）：容器在载荷作用下突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。

（4）泄漏失效：由于泄漏超过了运行的泄漏量引起的失效。

（5）

2、薄壁容器&厚壁容器如何划分？其强度设计的理论基础是什么？有何区别？

Re:容器的外径（D.）与其内径（DQ之比K= D。/ D^l.2,为薄壁容器，反之为厚壁容器。

薄壁容器：强度设计的理论基础：回转薄壳的无力矩理论，采用直法线假定；由此计算的应力都是沿壁厚均匀分布的薄膜应力，且忽略了垂直于容器壁面的径向应力，是一种近似计算方法，但可控制在工程允许的误差范围内。

厚壁容器：强度计算的理论基础是弹性力学应力分析导出的拉美公式。为三向应力。其中周向应力沿壁厚为非线形分布，承受内压时，内壁应力的绝对值最大，外壁最小。但轴向应力沿壁厚均匀封闭。拉美公式展示的是厚壁筒中的应力较好地与实际情况符合，反映了应力的客观分布规律。它既适合厚壁容器，也适用于薄壁容器。

内压作用下的容器，有由薄膜理论计算的周向薄膜应力较由拉美公式算出的内壁最大周向应力低，其误差随k值增大而增加。当K= 1. 5时，以内径为基础按薄膜理论计算的周向应力较拉美公式计算的内壁周向应力低23%。当以中径为基础时，按薄膜理论计算的周向应力只比拉美公式计算的内壁周向应力低3.8%。对于一般压力容器，此误差是在允许范围内。为此GB150中将内压圆筒的计算公式采用了以内径为基础的薄膜理论公式。其适用条件即为KC1.5,此条件等同于pM0.4[b 脸（公式在书P122）

3、根据回转薄壳的无力矩理论，轴对称载荷作用下，壳体任一点处的两向薄膜应力门和q 由什

么方程和什么方程确定？薄膜应力沿壁厚方向呈如何分布？其中经向应力气垂直于

壳体什么截面，周向应力g垂直于壳体什么截面？

Re:薄膜应力气由区域平衡方程确定，叫由拉普拉斯方程（或微元体平衡方程，最好为前者）确定。两者在厚度方向均匀分布，经向应力％垂直于纬线平面，周向应力％垂直于壳体经线截面。

4、试阐述回转薄壳应力分析的无力矩理论与有力矩理论的内涵、两者的差异与联系、应用条

件，以及在压力容器设计中的应用等。

Re:在回转薄壳承受的内力中，包括因中面拉伸、压缩和剪切变形而产生的薄膜内力和因中面的曲率和扭率改变而产生的横向剪力、弯矩和扭矩等弯曲内力。在应力分析时，如果同时考虑薄膜内力和弯曲内力时的理论称为有力矩理论或弯曲理论。而省略弯曲内力的壳体理论则称为无力矩理论或薄膜理论。

无力矩理论适用的条件是：

（1）壳体必须光滑连续——Rl、R2、d及材质（如E、m等）无突变；

高压力条件下，球壳的壁厚较厚，在制造技术和焊缝质量方面都存在困难。

球壳容器只能通过增大半径满足容积要求，应力值较大，因此只能提高壁厚满 足强

度要求。而圆筒容器可以通过增大高度满足容器要求，减小半径，从而减 小容器内

的应力值，减小壁厚，更加经济。在高压力条件下，细长的圆筒容器的密封更容易

得到保证。 (3)(

4)

(2) 壳体上载荷必须连续——表面力或温度无突变，无集中力、横向剪力或力矩作用；

(3) 边界支承(或连接)的边界力只能作用在经线切线方向且无弯矩。

在违背上述三个条件的局部区域内，必然存在较大内弯矩，无力矩理论不适用，必须 用有力矩理论分析。

在应用方面：针对薄壳问题，通常对薄壳主体按无力矩理论求出问题的解，对弯矩较大 的区域如壳体连接边缘等局部区域在用有力矩理论进行修正，联合求解。

5、工厂中常见的高压容器通常都是细长的圆筒形，为什么

Re ：因为根据薄膜理论，随着容器压力的提高，其应力也会相应提高，因此可以采用小的 直径或者大的壁厚来减小应力。因此与球壳容器相比，采用细长圆筒作为高压容器有以下 有点：

(1) (2) 6、什么是压力容器的边缘效应？边缘应力分析应采用什么理论？边缘应力的特征是什么？ 边缘力Q 。和边缘力矩Mo 可根据什么方程确定？

Re:边缘效应：总体结构不连续，组合壳体在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应 力增大的现象。

边缘应力分析方法：有力矩理论

边缘应力的特征：

局部性一一边缘应力中以经向弯曲应力为主，但其作用范围不大，在经向方向上， 离开边缘迅速下降。

自限性一一边缘应力是由于满足相邻元件的变形协调而产生，当其应力达到材料的 屈服点时，由于材料产生塑性流动，使变形协调得到满足。一旦变形得到满足，则材料的塑 姓流动也就自动中止。为此其应力和变形能自动得到限制。

边缘力Qo 和边缘力矩M 。：变形协调方程。

7、受气体内压作用的圆筒与球壳，其薄膜应力有何异同?

相同点：两者均产生两向薄膜应力，且各处一致。

不同点:

圆筒中的环向薄膜应力为轴向应力的两倍。球壳中的两向薄膜应力相等，其值等于半径圆 筒中的轴向应力。为此在直径和压力相同的情况下，球壳所需壁厚仅为圆筒的一半。

8、受气体内压作用的圆筒与锥壳，其薄膜应力有何异同？锥壳的半顶角为什么不宜大于 60° ?

相同点：

它们的环向应力均等于经向(轴向)应力的两倍，且沿壁厚均布。

不同点：

圆筒中各应力沿轴向(经向)是均匀分布的，而锥壳中各应力沿经向是线性分布的。大端 应力最大，小端应力最小。

锥壳大端的应力是与锥壳等径的圆筒的相应应力的1/cosa 倍。其中"为半顶角，小于

11、

椭圆形封头、碟形封头为何均带直边段?

60°。为此1/cos a >\>因此锥壳大端的应力大于等径圆筒的应力，且随。增大而增大。

锥壳半顶角小于60°时，壳中的应力以薄膜应力为主，锥壳以壳的形式承载，故可应用薄膜理论进行计算。当。260°时，壳中的应力变为以望去应力为主的状态，使壳体薄膜理论不能相适应，故。不宜大于60。，否则应按圆平板进行计算。

9、受气体内压作用的球壳、椭球壳中的薄膜应力各有何特点？

球壳中的薄膜应力无论是经向还是环向应力值相等，且为横值，处处相同，均为拉应力。

椭球壳：仅在壳的顶点，其两向薄膜应力相等，且为拉伸应力。离开定点，无论是经向拉应力或周向(纬向)拉应力均趋减小，但经向应力始终为拉伸应力，至赤道部位，经向应力与等径的圆筒的轴向薄膜应力相等。

椭球壳中的a/b<^2向)应力，在接近壳中心的部位上为拉伸应力，但随做远离中心，应力降低，且可能由拉伸应力变为压缩应力，其变化情况随椭球壳的长短轴之比a/b而异。

当alb<42时，椭球壳上的周向薄膜应力始终为拉伸应力，最小值发生于赤道部位。当

a/b = 42时，赤道处的周向应力正好等于零。

a/b>42是，椭球壳周向产生压缩薄膜应力，且压缩应力随a/b增大而加大，最大周向压缩应力

发生在赤道部位。

a/b = 2的标准椭圆封头，发生于封头定点的最大拉伸薄膜应力正好与发生在封头底边(赤道)的最大周向压缩薄膜应力数值相等。其值恰好与等径圆筒中的环向薄膜应力的绝对值相等。

10、内压作用下热应力如何考虑？消除热应力的措施？

内压内加热：内壁应力减小，而外壁应力增大，应力状态有可能恶化。当Ar <1.1P ,可以不考虑热应力的影响。

内压外加热：内壁的综合应力增大，而外壁应力减小，应力状态恶化。必须考虑温差应力。

消除热应力的措施：

(1)控制设备的加热和冷却速度

(2)控制和减小构件的热变形约束

(3)设置膨胀节

(4)采用良好的保温层

是为了避免封头与筒体的连接环焊缝与边缘应力作用区重合。环焊缝中不仅可能存在焊接缺陷，而且不可避免存在焊接残余应力，如在与边缘应力相重合，则对受力十分不利，为此封头均设直边段，以改善其受力状况。

12、何谓薄园板？薄板应力分析的理论基础是什么？

薄圆板是指0.01 vS/D<0.2的圆平板。薄平板在载荷作用下产生的扰度远小于板厚，一般采用薄板弯曲的小扰度理论°