過程設備設計課后習題答案

工藝設備設計(第二版)1.壓力容器介紹思考問題1.壓力容器的主要部件是什么？各自的角色是什么？答：壓力容器由六部分組成：氣缸、氣缸蓋、密封裝置、開口噴嘴、支架和安全附件。鋼瓶的作用：儲存材料或完成化學反應所需的主要壓力空間。頭部的功能是直接與氣缸焊接，形成容器的完整壓力空間。密封裝置的功能是確保承壓容器不會泄漏。開口噴嘴的功能：滿足工藝要求和維護需要。支架的作用是將壓力容器支撐和固定在基礎上。安全附件的作用：確保壓力容器的使用安全，測量和控制工作介質的參數，確保壓力容器的使用安全和正常過程。2.介質的毒性和易燃性如何影響壓力容器的設計、制造、使用和管理？答：介質毒性越高，壓力容器爆炸或泄漏造成的危害越嚴重，對材料選擇、制造、檢驗和管理的要求也越高。例如，Q235-A或Q235-B鋼板不得用于制造含有劇毒或高度危險介質的壓力容器；制造含有劇毒或高度危險介質的容器時，應對碳鋼和低合金鋼板進行逐個超聲波應力測試，并對整個機體進行焊后熱處理。容器上的甲、乙類焊接接頭也應進行100%射線或超聲波檢測，并在水壓試驗合格后進行氣密性試驗。制造中度或輕度毒性容器的要求要低得多。毒性程度對法蘭的選擇也有很大影響，主要體現在法蘭的公稱壓力等級上。如果內部介質中度有毒，所選管道法蘭的標稱壓力不得小于1.0兆帕；內部介質毒性很高或非常高。所選管道法蘭的公稱壓力不應小于1.6兆帕，帶頸部的焊接法蘭也應盡可能選用。易燃介質對壓力容器的選擇、設計、制造和管理有較高的要求。如Q235-AF，不得用于易燃介質容器；Q235-A不得用于制造液化石油氣容器；易燃中壓容器的所有焊縫(包括角焊縫)應采用全熔透結構等。3.壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程在確定壓力容器的類型時，為什么分類不僅要基于壓力水平，還要基于壓力和體積乘積的pV？答：因為光伏產品價值越大，爆炸能量越大，容器破裂時的危害越大，對容器的設計、制造、檢驗、使用和管理的要求也越高。4.壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程和GB150的適用范圍相同嗎？為什么？甲：不一樣。壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程適用范圍：最大工作壓力0.1兆帕(不包括靜水壓力)；內徑(非圓形截面為最大尺寸)0.15米，體積 0.025立方米；所含介質是最高工作溫度高于或等于標準沸點的氣體、液化氣體或液體。GB150適用范圍：0.1兆帕p35兆帕，真空度不小于0.02兆帕；根據鋼材的允許使用溫度(最高為700，最低為-196)；對媒體沒有限制；彈性失效設計準則和不穩(wěn)定性失效設計準則：基于材料力學和板殼理論公式，引入應力增長系數和形狀系數。最大應力理論；不適用于疲勞分析容器。GB150是壓力容器標準，是壓力容器產品設計和制造的基礎。壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程是政府對壓力容器實施安全技術監(jiān)督管理的依據，屬于技術法規(guī)范疇。5.gb150、JB4732和JB/T4735之間有什么區(qū)別？它們的適用范圍是什么？答：JB/T4735 鋼制焊接常壓容器和GB150 鋼制壓力容器屬于常規(guī)設計標準。JB4732 鋼制壓力容器分析設計標準是一個分析設計標準。JB/T4735與GB150和JB4732互不覆蓋，但GB150和JB4732互覆蓋范圍相對較廣。GB150適用范圍：設計壓力0.1兆帕p35兆帕，真空度不小于0.02兆帕；設計溫度根據鋼材的允許使用溫度確定(最高700，最低-196)；對媒體沒有限制；使用彈性失效設計準則和不穩(wěn)定性失效設計準則；應力分析方法以材料力學和板殼理論公式為基礎，引入應力增長系數和形狀系數。采用最大應力理論。不適用于疲勞分析容器。JB4732的適用范圍：設計壓力為0.1兆帕100兆帕，真空度不小于0.02兆帕；設計溫度低于通過鋼的蠕變控制設計應力強度的相應溫度(最大475)；對媒體沒有限制；采用塑性失效設計準則、失穩(wěn)失效設計準則和疲勞失效設計準則，通過極限分析和安全分析的結果評價局部應力。應力分析方法有彈性有限元法、塑性分析、板殼彈性理論和理論公式以及實驗應力分析。采用剪應力理論。適用于有豁免條件的疲勞分析容器。JB/T4735的適用范圍：設計壓力為-0.02mpa p0.1mpa。設計溫度大于-20 350(奧氏體高合金鋼容器和設計溫度低于-20但滿足低溫低應力條件的容器，調整后設計溫度高于-20的容器不受此限制)；不適用于含有劇毒或極度危險介質的容器；使用彈性失效設計準則和不穩(wěn)定性失效設計準則；應力分析方法以材料力學和板殼理論公式為基礎，引入應力增長系數和形狀系數。采用最大應力理論。不適用于疲勞分析容器。2.壓力容器的應力分析思考問題1.薄殼成為軸對稱旋轉問題的條件是什么？答：幾何形狀、承載負荷、邊界支撐和材料屬性與旋轉軸對稱。2.在推導非扭矩理論的基本方程時，當微量元素被截斷時，是否可以用兩個相鄰的垂直于軸線的截面代替教科書中垂直于經度和殼體的錐面？為什么？答：沒有。如果使用垂直于軸線的兩個相鄰橫截面，而不是教科書中垂直于子午線和垂直于殼體的錐形表面，則在兩個橫截面與兩個殼體表面相交之后獲得的兩個殼體表面之間的距離大于實際殼體厚度，而不是實際殼體厚度。建立的平衡方程的內力與這兩個截面正交，而不是與正交殼體的兩個表面的平面正交。正應力和剪應力不僅存在于正應力中，還存在于該截面中，這使得問題變得復雜。3.試分析標準橢圓封頭長軸與短軸之比a/b=2的原因。答：當a/b=2時，橢圓封頭的最大壓應力和最大拉應力相等，這使得橢圓封頭在相同壁厚下承受最大內壓。因此，GB150稱這種橢圓形頭部為標準橢圓形頭部。4.旋轉殼體的不連續(xù)效應是什么？不連續(xù)應力的特征是什么，和兩個參數的物理意義是什么？答：旋轉殼體的不連續(xù)效應：附加力和力矩引起的變形較大，在組合殼體連接處迅速減小。相應的邊緣應力也從較高的值迅速衰減，這被稱為“不連續(xù)效應”或“邊緣效應”。不連續(xù)應力有兩個特點：局部性和自限性。局部性：從邊緣內力引起的應力表達式可以看出，這些應力是隨著與關節(jié)距離的增加而迅速衰減到0的函數。非自限性：連續(xù)應力是由相鄰殼體連接處的薄膜不均勻變形和兩個殼體連接邊緣變形的彈性約束引起的。對于由塑性材料制成的殼體，當接合邊緣局部發(fā)生塑性變形時，彈性約束開始解除，變形不會繼續(xù)發(fā)展，不連續(xù)應力將自動受到限制。這種性質稱為不連續(xù)st的自限性答：應力分布特征：周向應力 和軸向應力z均為拉應力(正值)，徑向應力r為壓應力(負值)。數值有如下規(guī)律：內壁周向應力 最大，為：而外壁周向應力 減小到最小值，即內壁 與外壁之差為；內壁徑向應力為-pi，徑向應力的絕對值隨著r的增大而逐漸減小，外壁r=0。軸向應力是一個常數，沿壁厚均勻分布，是周向應力和徑向應力之和的一半，即除z外，沿壁厚的其他應力的不均勻性與直徑比k有關不能通過增加壁厚來提高承載力。由于內壁周向應力 最大，其值為：隨著k值的增加，分子和分母值都增加。當直徑比達到一定程度時，增加壁厚對減小壁面應力的效果不明顯。6.當單層厚壁圓筒同時承受內壓pi和外壓po時，能否將壓差代入僅承受內壓或僅承受外壓的厚壁圓筒的圓筒壁應力計算公式來計算圓筒壁應力？為什么？答：不是。從林公式圖7思考問題可以看出，每個應力分量的第一項與內部壓力和外部壓力成正比，而不是成正比。徑向應力和周向應力的第二項與。因此，它不能用語言來表達。7.內壓和溫差同時作用時，單層厚壁圓筒的綜合應力是如何沿壁厚分布的？管壁屈服發(fā)生在哪里？為什么？答：當內壓和溫差同時作用于單層厚壁圓筒時，其綜合應力沿壁厚的分布如圖所示。當在內壓下加熱時，最大綜合應力是外壁上的周向應力和拉應力。最大軸向應力也在外壁上，也是拉伸應力，小于周向應力。最大徑向應力在外壁，等于0。對于內壓和外加熱，綜合應力的最大值是周向應力，對于內壁，是拉應力。軸向應力的最大值也在內壁，也就是拉應力，小于周向應力的值。最大徑向應力在內壁上，是壓應力。當在內壓下加熱時，氣缸壁的屈服發(fā)生在外壁。當內外加熱時，它在內壁上。這是因為在上述兩種情況下應力值最大。8.為什么厚壁圓筒微元體的平衡方程同樣適用于彈塑性應力分析？答：由于平衡方程的建立與材料性質無關，只要彈性和彈塑性條件下的其他假設一致，建立的平衡方程就是完全相同的。9.兩端封閉并能可靠承受軸向力的厚壁圓筒。對于理想的彈塑性材料，軸向、周向和徑向應力之間的關系能在彈性和塑性階段都建立起來嗎？為什么？答：對于理想的彈塑性材料，彈性和塑性階段都適用。教科書中已經推導出彈性階段的建立，并建立了這個公式。從拉丁美洲公式可以看出，建立的原因是軸向、周向和徑向應力隨內外壓力而變化，三個主應力方向保持不變，三個主應力的大小以相同的比例變化。從公式可以看出，公式是成立的。對于理想的彈塑性材料，從彈性段到塑性段，在保持加載的情況下，三個主應力方向保持不變，三個主應力的大小仍然按相同的比例變化，符合簡單加載條件。根據塑性力學理論，可以用總量理論來求解，上述公式仍然有效。10.有兩個測試11.預應力法提高厚壁圓筒屈服承載力的基本原理是什么？答：氣缸的內部材料在承受工作載荷之前通過壓縮預加應力，而外部材料處于拉伸狀態(tài)。當氣缸處于工作壓力下時，氣缸壁的應力分布是由彈性應力和殘余應力疊加而成的，殘余應力由拉丁美洲公式確定。內壁上的總應力減小，外壁上的總應力增加，使沿圓筒壁厚度方向的應力分布均勻化。從而提高氣缸的初始屈服壓力，更好地利用材料。12.承受橫向均勻分布載荷的圓形薄板的機械特性是什么？其承載力低于薄壁殼體的原因是什么？答：承受橫向均布載荷的圓形薄板的力學特性如下：它承受垂直于薄板中間表面的軸對稱載荷；當板彎曲時，其中間表面保持中性；變形前正中面法線上的各點仍在變形后彈性曲面的同一法線上，法線上各點之間的距離不變；平行于中間表面的每一層材料都不被擠壓。其承載能力低于薄壁殼體的原因是薄板中的應力分布為線性彎曲應力，最大應力出現在板表面，其值正比于；然而，薄壁殼體中的應力分布是均勻的，并且其值正比于。在同樣的情況下，根據薄板和薄殼的定義，薄板承受的壓力p比薄殼承受的壓力p小得多。13.試比較在簡支和固定邊界條件下承受均布載荷的圓形薄板的最大彎曲應力和撓度的大小和位置。答：周邊固定支撐條件下的最大彎曲應力和撓度如下：簡支邊界條件下的最大彎曲應力和撓度如下：應力分布：簡支周邊的最大應力在板的中心；周邊固定的最大應力在鋼板周圍。兩者的最大偏轉位置都在圓形薄板的中心。外圍簡單支撐與外圍固定支撐的最大應力比簡單支撐和固定外圍支撐之間的最大撓度比結果如下圖所示。14.嘗試描述受均勻外壓的旋轉殼體的失效模式，并將其與受均勻內壓的旋轉殼體進行比較。答：旋轉殼體在均勻外壓作用下的失效模式主要是失穩(wěn)。當殼體壁厚較大時，也可能發(fā)生強度失效。旋轉殼體在均布內壓作用下的失效模式主要是強度失效。一些旋轉殼，如橢圓殼和碟形殼，當它們的深度很小并且在赤道上有很大的壓應力時，也會發(fā)生失穩(wěn)破壞。15.什么因素影響均勻外壓下圓柱殼的臨界壓力？使用高強度材料來增加圓柱殼彈性不穩(wěn)定性的臨界壓力是正確的嗎？為什么？答：影響承受均勻外壓的圓柱殼臨界壓力的因素包括：殼材料的彈性模量和泊松比、長度、直徑、壁厚、圓柱殼的不圓度、局部區(qū)域的褶皺、凸起或凹陷。使用高強度材料來增加圓柱殼彈性不穩(wěn)定的臨界壓力是不正確的，因為高強度材料和低強度材料的彈性模量之間的差異很小，而價格差異通常很大，這從經濟角度來看是不合適的。然而，高強度材料的彈性模量高于低強度材料。在不增加成本的情況下，圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力可以增加。16.有什么方法可以解決內壓殼體和接管連接處的局部應力？答：有：應力集中系數法、數值法、實驗測試法和經驗公式法。17.除了氣缸上的壓力問題集1.嘗試應用非扭矩理論的基本方程求解圓柱殼的應力(殼體承受氣體的內壓P