过程设备设计课后答案

11.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？答：介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-A·F不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？答：因为pV乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。2.压力容器应力分析1.一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么?答：几何形状、承受载荷、边界支承、材料性质均对旋转轴对称。2.试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。答：a/b=2时，椭圆形封头中的最大压应力和最大拉应力相等，使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大，因此GB150称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头3.何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些特征，其中β与两个参数的物理意义是什么？答：回转壳的不连续效应：附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大，很快变小，对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来，称为“不连续效应”或“边缘效应”。不连续应力有两个特征：局部性和自限性。局部性：从边缘内力引起的应力的表达式可见，这些应力是的函数随着距连接处距离的增大，很快衰减至0。不自限性：连续应力是由于毗邻壳体，在连接处的薄膜变形不相等，两壳体连接边缘的变形受到弹性约束所致，对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部产生塑性变形，弹性约束开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称为不连续应力的自限性。β的物理意义：Rt4213反映了材料性能和壳体几何尺寸对边缘效应影响范围。该值越大，边缘xeRt2效应影响范围越小。Rt的物理意义：该值与边缘效应影响范围的大小成正比。反映边缘效应影响范围的大小。4.单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？当承受内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？答：应力分布的特征：○1周向应力σθ及轴向应力σz均为拉应力（正值），径向应力σr为压应力（负值）。在数值上有如下规律：内壁周向应力σθ有最大值，其值为：1122maxKKpi，而在外壁处减至最小，其值为122minKpi，内外壁σθ之差为pi；径向应力内壁处为-pi，随着r增加，径向应力绝对值逐渐减小，在外壁处σr=0。○2轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半，即2rz。○3除σz外，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K值有关。不能用增加壁厚来提高承载能力。因内壁周向应力σθ有最大值，其值为：1122maxKKpi，随K值增加，分子和分母值都增加，当径比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。5.预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？答：使圆筒内层材料在承受工作载荷前，预先受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。当圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成。内壁处的总应力有所下降，外壁处的总应力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的应力分布。从而提高圆筒的初始屈服压力，更好地利用材料。6.承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么？答：承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是：○1承受垂直于薄板中面的轴对称载荷；○2板弯曲时其中面保持中性；○3变形前位于中面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间的距离不变；○4平行于中面的各层材料互不挤压。其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是：薄板内的应力分布是线性的弯曲应力，最大应力出现有板面，其值与2tRp成正比；而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布，其值与tRp成正比。同样的tR情况下，按薄板和薄壳的定义，tRtR2，而薄板承受的压力p就远小于薄壳承受的压力p了。7.试比较承受均布载荷作用的圆形薄板，在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。答：○1周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：22max43tpRDpRwf644max○2周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：22max833tpR15644maxDpRws3○3应力分布：周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力在板周边。两者的最大挠度位置均在圆形薄板的中心。○4周边简支与周边固支的最大应力比值65.1233.0maxmaxfrsr周边简支与周边固支的最大挠度比值08.43.013.05153.0maxmaxfsww其结果绘于下图8.试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳相比有何异同？答：承受均布外压的回转壳的破坏形式主要是失稳，当壳体壁厚较大时也有可能出现强度失效；承受均布内压的回转壳的破坏形式主要是强度失效，某些回转壳体，如椭圆形壳体和碟形壳体，在其深度较小，出现在赤道上有较大压应力时，也会出现失稳失效。9.试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是否正确，为什么？答：影响承受均布外压圆柱壳的临界压力的因素有：壳体材料的弹性模量与泊松比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷。提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料不正确，因为高强度材料的弹性模量与低强度材料的弹性模量相差较小，而价格相差往往较大，从经济角度不合适。但高强度材料的弹性模量比低强度材料的弹性模量还量要高一些，不计成本的话，是可以提高圆柱壳弹性失稳的临界压力的。10.求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法？答：有：应力集中系数法、数值解法、实验测试法、经验公式法。习题1.试应用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p，壳体中面半径为R，壳体厚度为t）。若壳体材料由20R（MPaMPasb245,400）改为16MnR（MPaMPasb345,510）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？4解：○1求解圆柱壳中的应力应力分量表示的微体和区域平衡方程式：zpRR21sin220trdrrpFkrzk圆筒壳体：R1=∞，R2=R，pz=-p，rk=R，φ=π/2tpRprtpRk2sin2○2壳体材料由20R改为16MnR，圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题，其基本方程是平衡方程，而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解，不受材料性能常数的影响，所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。2.有一球罐（如图所示），其内径为20m（可视为中面直径），厚度为20mm。内贮有液氨，球罐上部尚有3m的气态氨。设气态氨的压力p=0.4MPa，液氨密度为640kg/m3，球罐沿平行圆A-A支承，其对应中心角为120°，试确定该球壳中的薄膜应力。解：○1球壳的气态氨部分壳体内应力分布：R1=R2=R，pz=-pMPatpRtpRprtpRk100202100004.022sin2○2支承以上部分，任一φ角处的应力：R1=R2=R，pz=-[p+ρgR（cosφ0-cosφ）]，r=Rsinφ，dr=Rcosφdφ7.0cos105110710sin0220由区域平衡方程和拉普拉斯方程：φ0h5033022002220003302200222203322022003330220223002coscos31sinsin2cossinsin2sincoscoscoscoscoscos31sinsin2cossinsin2sinsin3coscossin2sinsincoscoscos32sinsincossincos2cos2coscos2sin2000gRptRRtgRpRtgRptRpgRptRtgRtgRpRgRgRpRdgRrdrgRprdrgRptRzrrrrMPagRptR042.12cos1.2sin2.22sin50.343cos2.151.0sin22.2sin50.343cos2092851.0sin221974.4sin5007.0cos3151.0sin35.081.94060151.0sin102.0sin02.010coscos31sinsin2cossinsin2sin32232232233226203302200222MPagRptRRtgRp042.12cos1.2sin2.22sin5cos392.31974.221coscos31sinsin2cossinsin2sincoscos322033022002220○3支承以下部分，任一φ角处的应力(φ120°)：R1=R2=R，pz=-[p+ρgR（cosφ0-cosφ）]，r=Rsinφ，dr=Rcosφdφ6RhhRtggRptRRtgRpRtgRptRpRhhRtggRptRRhhRtgtgRtgRpRtRVhRhRggRgRpRhRhRgdgRrdrgRpghRhgRrdrgRpVzrrrr34sin6coscos31sinsin