4.3常规设计 过程设备设计 4.3常规设计 本章重 点 教学重点： (1)内压圆筒的强度设计； (2)外压圆简的图算法； (3)开孔补强设计。 教学难点： 螺栓法兰连接的密封性设计
4.3 常规设计 教学重点： （1）内压圆筒的强度设计 ）内压圆筒的强度设计； 4.3 常规设计 本章重 点 过程设备设计 3 1 （2）外压圆筒的图算法 ）外压圆筒的图算法； （3）开孔补强设计 ）开孔补强设计。 教学难点： 螺栓法兰连接的密封性设计
4.3.1概述 过程设备设计 4.3.1概述 设计思想 一“按规则设计”（Design by Rules),只考虑单一的最大 载荷工况，按一次施加的静力载荷处理， 区别于 不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永 分析设计 久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。 应力求解一依据 校核一 受压元件 边缘应力—一采用 材料力学及板壳 的应力强度 分析设计标准中 理论，按最大拉 <材料许用应力 的有关规定和思 应力准则来推导 (强度) 想，确定结构的 受压元件的强度 <材料许用外压力 某些相关尺寸范 尺寸计算公式。 (失稳) 围，或由经验引 入各种系数
力载荷处理， 不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永 ，也不区分短期载荷和永 久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题 ，不涉及容器的疲劳寿命问题。 区别于 分析设计 一、设计思想 ——“按规则设计”（Design by Rules） ，只考虑单一的最大 只考虑单一的最大 载荷工况，按一次施加的静 ，按一次施加的静 应力求解——依据 校核——受压元件 边缘应力——采用 4.3.1 概述 4.3.1 概述 过程设备设计 4 应力求解——依据 材料力学及板壳 理论，按最大拉 应力准则来推导 受压元件的强度 尺寸计算公式。 校核——受压元件 的应力强度 < 材料许用应力 （强度） < 材料许用外压力 （失稳） 边缘应力——采用 分析设计标准中 的有关规定和思 想，确定结构的 某些相关尺寸范 围，或由经验引 入各种系数
4.3.1概述 过程设备设计 二、弹性失效设计准则 压力容器材料韧性较好，在弹性失效准则中， 1≤] (4-3) o1-o3≤[o] (4-4) N2o,o,P+a20产+c,0,月]so (4-5) 采用式(4-4)或式(4-5)较为合理。 但对于内压薄壁回转壳体，在远离结构不连续处，63≈0 式（4-3)简单，成熟使用经验，将该式作为设计准则
t σ σ[ ] 1 ≤ （4-3） 4.3.1 概述 t σ - σ [ σ ] 1 3 ≤ （4-4） 压力容器材料韧性较好，在弹性失效准则中 ，在弹性失效准则中， 二、弹性失效设计准则 、弹性失效设计准则 弹性失效设计准则 弹性失效设计准则 过程设备设计 5 t [(σ σ- ) σ( σ- ) σ( σ- ) ] σ[ ] 21 2 3 1 2 2 3 2 1 2 + + ≤ 采用式（4-4）或式（4-5）较为合理。 但对于内压薄壁回转壳体，在远离结构不连续处 ，在远离结构不连续处，σ 3 ≈ 0 式（4-3）简单，成熟使用经验 ，成熟使用经验，将该式作为设计准则。 （4-5）
4.3.1概述 4.3.1概述 过程设备设计 二、弹性失效设计准则（续） 内压薄壁圆筒： 经向薄膜应力 周向薄膜应力 46 δ一计算厚度，mm; D一筒体中面直径， 第2章应力分析中的厚度t mm. 是指实际厚度，与设计中 需要确定的厚度并不是同 个概念，因此用δ代替t
二、弹性失效设计准则 、弹性失效设计准则 弹性失效设计准则 弹性失效设计准则（续） 内压薄壁圆筒： 4δ σ pD φ = 周向薄膜应力 2δ σθ pD = 经向薄膜应力 4.3.1 概述 过程设备设计 4.3.1 概述 6 4δ φ θ 2δ = δ—计算厚度，mm； D—筒体中面直径，mm。 第2章应力分析中的厚度t 是指实际厚度，与设计中 需要确定的厚度并不是同 一个概念，因此用δ代替t
4.3.1概述 过程设备设计 二、弹性失效设计准则（续） 显然，0=00，由式（4-3) 0=0,= 26 用DK+1 D,= K-1D. (D筒体内直径)代入上式，化简 2 K+1 (4-10) P2(K-0 ≤' 取等号得 K= 2[+卫 径比K为 2['-p (4-11) 筒体壁厚计算式为 6= 2pR, (4-12) 2[o]'-p 中径公式 7
pD t ≤[σ] 2δ 显然，σ σ1 =σθ= 1=σθ，由式（4-3） 用D= Di K2+ 1 Di K2−1 （Di筒体内直径）代入上式，化简 t K K p ≤[σ] 2( -1) +1 （4-10） δ= 二、弹性失效设计准则 、弹性失效设计准则 弹性失效设计准则 弹性失效设计准则（续） ， 4.3.1 概述 过程设备设计 7 2(K -1) + p p K tt [2 σ] - [2 σ] + = p pR t i [2 σ] - 2 δ= 取等号得 径比K为 （4-11） 筒体壁厚计算式为 （4-12） 中径公式
4.3.1概述 过程设备设计 二、弹性失效设计准则（续） 将第2章表2-1中仅受内压作用时，厚壁圆筒内壁面处的三向应力 分量计算式，代入弹性失效设计准则式(4-3)~式(4-5)， 表4-2 按弹性失效设计准则的内压厚壁圆筒强度计算式 设计准则 应力强度oeqi 筒体径比K 简体计算厚度δ 最大拉应力准则 K2+1 [+p K2-1 V[o]'-p R(1 o+p [o]-p 1) 2K2 最大切应力准则 PK?-1 [o] [o] V[-2p R.(ToY-2P -1) [ [o] 形状改变比能准则 V[-3p R(可-3p 1) K+1 2['+卫 2p 中径公式 P2K-0 2['-p R(oY-P
将第2章表2-1中仅受内压作用时，厚壁圆筒内壁面处的三向应力 分量计算式，代入弹性失效设计准则式 ，代入弹性失效设计准则式（4-3）～式（4-5）， 二、弹性失效设计准则 、弹性失效设计准则 弹性失效设计准则 弹性失效设计准则（续） 最大拉应力准则 设计准则 应力强度σeqi 筒体径比K 筒体计算厚度δ K 1 K 1 p 2 2 −+ pp tt [σ] - [σ] + )1- [σ] - [σ] ( pp R tt i + 4.3.1 概述 表4-2 按弹性失效设计准则的内压厚壁圆筒强度计算式 过程设备设计 8 形状改变比能准则 中径公式 最大切应力准则 K −1 K 1 2K p 2 2− K 1 3K p 2 2 − (2 K )1 K 1 p −+ [σ] - p p t t [σ] - 2 [σ] p t t [σ] - 3 [σ] p p t t [2 σ] - [2 σ] + [σ] - p )1- [σ] - 2 [σ] ( p R t t i )1- [σ] - 3 [σ] ( p R t t i ) [2 σ] - 2 ( p p Ri t
4.3.1概述 过程设备设计 二、弹性失效设计准则（续） ·实验值 压力容器常用 中径公式 厚度最薄 径比范围 Psi/s代 最大拉应力准测 表筒体的弹 0.75 性承载能力， 形状改变比能准则 它和径比K 0.5 的关系见图 最大切应力准则 4-1。 Psi为内 0.25 厚度最厚 壁初始屈服 偏于安全 时所对应的 压力。 15 径比K 图4-1各种强度理论的比较 9
二、弹性失效设计准则 、弹性失效设计准则 弹性失效设计准则 弹性失效设计准则（续） Psi /σs代 表筒体的弹 性承载能力， 它和径比K 4.3.1 概述 过程设备设计 厚度最薄 9 的关系见图 4-1。 Psi为内 壁初始屈服 时所对应的 压力。 图4-1 各种强度理论的比较 厚度最厚 偏于安全
4.3.1概述 4.3.1概述 过程设备设计 二、弹性失效设计准则（续） (1)按形状改变比能屈服失效判据计算出的内壁 初始屈服压力和实测值最为接近； (2)在壁厚较薄时即压力较低时，各种设计准则差 别不大； (3) 在同一承载能力下，最大切应力准则计算出的 壁厚最厚，中径公式算出的壁厚最薄。 10
4.3.1 概述 二、弹性失效设计准则 、弹性失效设计准则 弹性失效设计准则 弹性失效设计准则（续） （2）在壁厚较薄时即压力较低时，各种设计准则差 （1）按形状改变比能屈服失效判据计算出的内壁 ）按形状改变比能屈服失效判据计算出的内壁 初始屈服压力和实测值最为接近； 过程设备设计 4.3.1 概述 10 （3）在同一承载能力下 ）在同一承载能力下，最大切应力准则计算出的 ，最大切应力准则计算出的 壁厚最厚，中径公式算出的壁厚最薄 ，中径公式算出的壁厚最薄。 （2）在壁厚较薄时即压力较低时，各种设计准则差 别不大；