技能培训课件-压力容器应力分析 NXPowerLite(一)
第二章压力容器应力分析
《过程设备设计基础》教案2—压力容器应力分析课程名称：过程设备设计基础专业：过程装备与控制工程任课教师：第2章 压力容器应力分析§2-1 回转薄壳应力分析一、回转薄壳的概念薄壳：（t/R ）≤0.1 R----中间面曲率半径 薄壁圆筒：（D 0/D i ）max ≤1.1~1.2 二、薄壁圆筒的应力图2-1、图2-2 材料力学的“截面法”三、回转薄壳的无力矩理论1、回转薄壳的几何要素（1）回转曲面、回转壳体、中间面、壳体厚度 * 对于薄壳，可用中间面表示壳体的几何特性。
tpD td pR tpD Dt D p i 22sin 24422====⨯⎰θπθϕϕσσαασπσπ（2）母线、经线、法线、纬线、平行圆（3）第一曲率半径R1、第二曲率半径R2、平行圆半径r（4）周向坐标和经向坐标2、无力矩理论和有力矩理论（1）轴对称问题轴对称几何形状----回转壳体载荷----气压或液压应力和变形----对称于回转轴（2）无力矩理论和有力矩理论a、外力（载荷）----主要指沿壳体表面连续分布的、垂直于壳体表面的压力，如气压、液压等。
P Z= P Z（φ）b、内力薄膜内力----Nφ、Nθ（沿壳体厚度均匀分布）弯曲内力---- Qφ、Mφ、Mθ（沿壳体厚度非均匀分布）c、无力矩理论和有力矩理论有力矩理论（弯曲理论）----考虑上述全部内力无力矩理论（薄膜理论）----略去弯曲内力，只考虑薄膜内力●在壳体很薄，形状和载荷连续的情况下，弯曲应力和薄膜应力相比很小，可以忽略，即可采用无力矩理论。
●无力矩理论是一种近似理论，采用无力矩理论可是壳地应力分析大为简化，薄壁容器的应力分析和计算均以无力矩理论为基础。
在无力矩状态下，应力沿厚度均匀分布，壳体材料强度可以得到合理的利用，是最理想的应力状态。
（3）无力矩理论的基本方程a、无力矩理论的基本假设小位移假设----壳体受载后，壳体中各点的位移远小于壁厚。
考虑变形后的平衡状态时壳用变形前的尺寸代替变形后的尺寸直法线假设----变形前垂直于中面的直线变形后仍为直线，且垂直于变形后的中面。
压力容器应力分析-厚壁圆筒应力分析
• 位移
•周向位移为零，只有径向位移和轴向位移
• 应变
•径向应变、轴向应变和周向应变
•分析方 法
•8个未知数，只有2个平衡方程，属静不定 问题，需平衡、几何、物理等方程联立求解 。
•2.3 厚壁圆筒应力分析
•2.3.1 弹性应力
•p0
•研究在内压 、外压作用下 ，厚壁圆筒中 的应力。
•图2-15 厚壁圆筒中的应力
•一、压力载荷引起的弹性应力 • 1、轴向（经向）应力
•对两端封闭的圆筒，横截面在变形后仍保持平面。所 以，假设轴向应力沿壁厚方向均匀分布，得：
•＝ A •（2-25）
•2.3 厚壁圆筒应力分析
• 2、周向应力与径向应力 •由于应力分布的不均匀性，进行应力分析时，必须从微元体 着手，分析其应力和变形及它们之间的相互关系。
•表2-3 厚壁圆筒在内压与温差作用下的总应力
•2.3 厚壁圆筒应力分析
•图2-21 厚壁筒内的综合应力 •（a）内加热情况；(b)外加热情况
•2.3 厚壁圆筒应力分析
•由图可见
•内加热——内壁应力叠加后得到改善，
•
外壁应力有所恶化。
•外加热——则相反，内壁应力恶化，
•
外壁应力得到很大改善。
•2.3 厚壁圆筒应力分析
•2.3 厚壁圆筒应力分析
•筒体内外壁的温差，
•厚壁圆筒各处的热应力见表2-2， • 表中
•厚壁圆筒中热应力分布如图2-20所示。
•2.3 厚壁圆筒应力分析
•表2-2 厚壁圆筒中的热应 力
•2.3 厚壁圆筒应力分析
•图2-20 厚壁圆筒中的热应力分布
•（a）内部加热
(b)外部加热
•2.3 厚壁圆筒应力分析
压力容器应力分析
载荷
2.1.1 载荷
压力（包括内压、外压和液体静压力）
非压力载荷 载荷
重力载荷 风载荷 地震载荷 运输载荷 波动载荷 管系载荷 支座反力 吊装力
整体载荷 局部载荷
压力容器
应力、应变的变化
上述载荷中，有的是大小和/或方向随时间变化的交 变载荷，有的是大小和方向基本上不随时间变化的静载荷
压力容器交变载荷的典型实例：
分析载荷作用下压力容器的应力和变形， 是压力容器设计的重要理论基础。
●2.1 载荷分析
2.1.1 载荷 2.1.2 载荷工 况
●2.2 回转薄壳应力分析
●2.3 厚壁圆筒应力分析 ●2.4 平板应力分析 ●2.5 壳体的稳定性分析 ●2.6 典型局部应力
2.2.1 薄壳圆筒的应力 2.2.2 回转薄壳的无力矩理论 2.2.3 无力矩理论的基本方程 2.2.4 无力矩理论的应用 2.2.5 回转薄壳的不连续分析
a.正常操作工况：
容器正常操作时的载荷包括：设计压力、液体静压力、重力 载荷(包括隔热材料、衬里、内件、物料、平台、梯子、管 系及支承在容器上的其他设备重量)、风载荷和地震载荷及 其他操作时容器所承受的载荷。
b. 特殊载荷工况
特殊载荷工况包括压力试验、开停工及检修等工况。 制造完工的容器在制造厂进行压力试验时，载荷一般包括试 验压力、容器自身的重量。
有力矩理论或 弯曲理论 （静不定）
无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面进行的。 因壁很薄，沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小， 其它应力不随厚度而变，因此中面上的应力和变形可 以代表薄壳的应力和变形。
二、无力矩理论与有力矩理论 平行圆
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压力容器应力分析
第二章压力容器应力分析Str ess Analy si s o f Pr essur e V essel s容器设计的核心问题是研究容器在各种机械载荷与热载荷作用下，有效地限制变形和抵抗破坏的能力。
因此，容器设计的理论基础就是对容器进行充分的应力和变形分析。
2．1载荷分析L oadin g An aly si s2.1.1 载荷 L oadin g（１）压力是压力容器承受的基本载荷（２）非压力载荷分整体载荷与局部载荷：整体载荷是作用于整台容器上的载荷，重力，风，地震，局部载荷是作用与容器局部区域上的载荷，管系载荷，支座反力，吊装力等．［１］重力载荷 Gravi ty［２］风载荷 Wi ndi ng［３］地震载荷 Earth qu ake［４］运输载荷 Tran sport［５］波动载荷 Un dul ate［６］管系载荷 pi pi ng（３）交变载荷2.1.2载荷工况 L oa d State(1) 正常操作工况(2) 特殊载荷工况压力试验 ,开停车及检修(3) 意外载荷工况突然停车,化学爆炸,2.2回转薄壳应力分析 Stress Analysis of Revolution Shells壳体：一种以两个曲面为界，且曲面之间距离远比其它方向尺寸小得多的构件。
壳体的中面：与壳体两曲面等距离的点所组成的曲面。
回转壳：其中面由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成的壳体。
壳体的厚度：二曲面之间的距离。
薄壳：厚度t/中面曲半径R 的比值101≤为薄壳，反之为厚壳。
在薄壳应力分析中，采用弹性力学薄壳理论。
几个假设：材料连续、均匀、各向同性，小变形，各层间不挤压。
受载后的变形是小变形： 壳壁各层纤维在变形后互不挤压：2.2.1薄壁圆筒的应力 Stress in Thin －ｗalled Cylinders薄壁圆筒在内压P 作用下，产生三个方向的应力 轴向应力Φσ, 周向应力θσ, 径向应力r σ 故任一点的应力状态为二向的..求解θσσ,Φ: 采用材料力学中，“截面法”保留右边，如下图（a ）根据力的平衡：内P 作用在封头上产生向右的轴向外力 24DiP π⋅在筒壁上向左的轴向内力为 Φ⋅⋅σπDt 对薄壳：D Di ≈ 故Φ=⋅σππDt DP 24得：tPD 4=Φσ取1单位长圆环，过y 轴，作上χ轴的平面，将圆环截成两半，取右半如上图（b ）。
压力容器培训教材PPT课件
并定期自行检查。 特种设备使用单位对在用特种设备应当至少每月进行一次自行检查，
并作出记录。特种设备使用单位在对在用特种设备进行自行检查和日常 维护保养时发现异常情况的，应当及时处理。
特种设备使用单位应当对在用特种设备的安全附件、安全保护装置、 测量调控装置及相关附属仪器仪表进行定期检验、检修、并作出记录。
压力容器基础知识培训教材
2015年3月9日
❖ 特种设备的定义。 ❖ 特种设备安全监察条例（有关特种设备使用）。 ❖ 压力容器基础知识及工艺参数 ❖ 压力容器的结构及分类 ❖ 压力容器安全附件 ❖ 压力容器安全操作及维护保养
一、特种设备的定义
特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、 压力容器（含气瓶，下同）、压力管道、电梯、起重 机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机 动车辆。
压力容器又称受压容器。压力容器是具有爆炸 危险的特种设备，是工业生产和人民生活中不可缺 少的一种设备。
1.3、《压力容器安全监察规程》对压力容器的定义：
①最高工作压力Pw≥0.1MPa（不包括液体静压力）； ②内径≥ 15cm,容器体积V≥25L，且Pw·V≥2.5L·MPa； ③介质为气体、液化气体和最高工作温度高于标准沸点的液体。
2.1.4、表压力：以当时当地的大气压力为基准测得压力， 也就是各种压力表测得的压力数值，用“P表”表示，P表＝ P绝－P大气。 2.1.5、真空度：绝对压力不小于大气压力时，表压力的绝 对值，用“P真”表示。 2.1.6、工程大气压与标准大气压的换算关系： 1工程大气压＝0.968标准大气压＝735.6毫米汞柱。 2.1.7、工作压力：在正常工艺操作时的压力（不包括液体 静压）。 2.1.8、最高工作压力：容器顶部在工艺操作过程中，可能 产生的最大压力。压力超过此值时，容器上的安全泄放装置 就要开启动作。 2.1.9、设计压力：相应设计温度下用以确定容器计算壁厚 及其元件尺寸的压力。设计压力应高于或略高于最高工作压 力。
2 压力容器应力分析
2.2 回转薄壳应力分析
推导思路
特殊壳体（薄壁圆筒）
一般壳体（任意回转薄壳）
特殊壳体（球壳、椭球壳、锥壳）
23
2.2 回转薄壳应力分析
2.2.1 薄壁圆筒的应力 壳体材料连续、均匀、各向同性； 受载后的变形是弹性小变形； 壳壁各层纤维在变形后互不挤压。
过程设备设计
基本假设
典型的 薄壁圆筒
图2-1 薄壁圆筒在内压作用下的应力
2.1 载荷分析
过程设备设计
2.1.2 载荷工况（续）
一、正常操作工况
设计压力
液体静压力 重力载荷 载荷 风载荷 地震载荷 其他载荷 隔热材料、衬里、内件、物 料、平台、梯子、管系、支 承在容器上的其他设备重量 等
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2.1 载荷分析
过程设备设计
2.1.2 载荷工况（续）
二、特殊载荷工况 一般不考虑 地震载荷 1．压力试验 制造完工的容器在制造厂进行压力试验时的载荷。
以代表薄壳的应力和变形。
31
2.2.3 无力矩理论的基本方程 求解思路
1. 取微元 2. 取区域 力分析 力分析 法线方向：内力=外力 轴线方向：内力=外力 微元平衡方程 区域平衡方程
σφ σθ
32
2.2.3无力矩理论的基本方程(续）
一. 壳体微元及其内力分量
参看教材P27图2-5 [图2-5(a)]
交变载荷
内压 外压 内外压
载荷变化 （大小 方向） 循环次数
通常要 考虑
具体情况 考虑
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2.1 载荷分析
过程设备设计
2.1.2 载荷工况
定义——在工程上，容器受到不同载荷的情况。
制造安装 正常操作 开停工 压力试验 检修 等等
2 压力容器应力分析
无力矩理论或 薄膜理论（静定）
有力矩理论或 弯曲理论 （静不定）
无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面进行的。
因壁很薄，沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小，其它应力 不随厚度而变，因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应 力和变形。
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第十一页，编辑于星期二：二点 四十二分。
2.1 载荷分析
三、交变载荷
2.1.1 载荷（续）
载荷
过程设备设计
交变载荷
定义——
大小和/或方向随 时间变化
静载荷
定义—— 大小和方向基本上
不随时间变化
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第十二页，编辑于星期二：二点 四十二分。
2.1 载荷分析
三、交变载荷（续）
2.1.1 载荷（续）
压力载荷
非压力载荷
交变载荷
2
第二页，编辑于星期二：二点 四十二分。
2.1 载荷分析
一、压力
2.1.1 载荷（续）
压内压 外压 内、外压
绝对压力
●以绝对真空为基 准测得的压力。
●通常用于过程 工艺计算。
表压
●以大气压为基准测 得的压力。
●压力容器机械设 计中，一般采用表 压。
厚壳： t / R＞1/10 。
薄壁圆柱壳或薄壁圆筒：外直径与内直径的比值 Do/Di ≤1.1~1 .2 。
厚壁圆筒：外直径与内直径的比值Do/Di ＞1 .2 。 轴对称问题:
22
第二十二页，编辑于星期二：二点 四十二分。
2.2 回转薄壳应力分析
2.2 回转薄壳应力分析
推导思路
特殊壳体（薄壁圆筒）
典型实例
过程设备设计
●间歇生产的压力容器的重复加压、减压； ●由往复式压缩机或泵引起的压力波动； ●生产过程中，因温度变化导致管系热膨胀或收缩，从而
压力容器应力分析壳体的稳定性分析
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压力容器应力分析壳体的稳定性分析
•该理论的局限
•（1）壳体失稳的本质是几何非线性的问题 •（2）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒，存在各种 • 初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能不均匀等 •（3）受载不可能完全对称
•小挠度线性分析会与实验结果不吻合。
•工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定性安全系数 m ， •限定外压壳体安全运行的载荷。
讨论题
1、是否只有在外压作用下，压力容器才会失稳？试 举例说明。
2、工程上采取哪些措施，可以提高圆柱形容器的抗 失稳能力？
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压力容器应力分析壳体的稳定性分析
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2024/2/8
压力容器应力分析壳体的稳定性分析
压力容器应力分析-壳体 的稳定性分析
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2024/2/8
压力容器应力分析壳体的稳定性分析
•主要内容
•2.4.1 概述 •2.4.2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析 •2.4.3 其他回转薄壳的临界压力
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压力容器应力分析壳体的稳定性分析
•一、失稳现象
•2.4.1 概述
•1、外压容器举 例
•椭球壳： •同碟形壳计算，RO=K1DO
•K1见第四 章
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压力容器应力分析壳体的稳定性分析
•锥壳
•（2-106）
•注意：•Le——锥壳的当量长度；见表2-6
•DL——锥壳大端外直径 •或锥壳上两刚性元件所
•DS——锥壳小端外直 径•Te——锥壳当量厚度
•在处的大小直径
•适用于：
•若
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技能培训课件-压力容器应力分析
NXPowerLite(一)
技能培训课件-压力容器应力分析 NXPowerLite
随着制造业的不断发展，压力容器的应用越来越广泛，而在使用压力容器时，应力分析是非常重要的一环。
为了提高压力容器的运行安全性，压力容器应力分析变得越来越重要。
因此，本文将介绍一款名为NXPowerLite的技能培训课件，以帮助大家更加深入地了解压力容器应力分析。
一、NXPowerLite背景
NXPowerLite是一种基于有限元方法（FEM）的应力分析软件，它提供了高度便捷性和准确性，能提高压力容器应力分析的效率和精度。
二、NXPowerLite的主要功能
1.产生3维模型： NXPowerLite能够创建3D的模型，并且能够为所创建的模型进行详细的建模操作。
2. 对压力容器进行应力分析： NXPowerLite可以对压力容器进行应力分析，并且可以显示出容器的应力状态。
3. 提供强大的后处理功能： NXPowerLite可以提供可视化的结果，可以根据需要可以显示应力分布状态图，应力矢量图等结果。
4. 支持多种文件类型： NXPowerLite支持多种文件类型，包括DWG，
IGES，SAT等，能轻松导入现有图形。
三、如何使用NXPowerLite进行压力容器应力分析
1. 准备工作：在使用NXPowerLite进行压力容器应力分析之前，需要
准备好计算机和相应的软件，例如SolidWorks等建模软件。
2.导入建模数据：将建立好的3D模型导入NXPowerLite。
3. 网格划分：在进行应力分析之前，需要将3D模型划分为单元网格，网格的划分越细，精度越高。
在划分时，可以使用NXPowerLite中的
自动划分功能或手工划分。
4. 设定应力操作：设定加载、约束和材料参数，并选择步长进行分析。
5. 进行应力分析：运行应力分析时，NXPowerLite会在单元节点上计
算出应力分布，输出分析报告。
6. 后处理：对应力分布结果进行后处理操作，如应力矢量图、最大应
力及应力分布图等。
四、NXPowerLite的应用场景
NXPowerLite可以应用到各种压力容器的应力分析中，包括大型油罐、压缩空气罐等，在制造、航空、船舶、航运、化工等领域有着广泛的
应用。
综上所述，NXPowerLite是一款非常优秀的压力容器应力分析软件，它具有操作方便、准确度高，后处理功能强大等特点，可以提高压力容
器的运行安全性，具有广泛的应用前景。
如果希望进一步学习关于压
力容器应力分析的知识，可以参加相关的技术培训课程，以此来提高自己的技能水平。