内压锥形封头应力研究开题报告

 2021-08-08 02:08

全文总字数:3409字

1. 研究目的与意义

封头是比较常用的设备,而锥形封头作为封头的一种形式,广泛应用于各种化工机械中,如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器、沉降器及塔器等。

锥形封头的应力最大值与半顶角大小有关,半顶角越大,最大应力值越高,承受所需的厚度也越大。

本课题将对锥形封头的应力研究采用应变片测量、ANSYS有限元分析和理论值计算三种方法,探讨锥形封头的应力分布规律,为锥形封头的应力水平的评估和强度设计提供一定的依据。

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2. 国内外研究现状分析

压力容器采用的封头有很多类型,其中以锥形封头最为特殊,在压力容器上得到广泛应用。按照锥形封头的承压方式可分为承受外压的锥形封头和承受内压的锥形封头。内压锥形封头可分为无折边锥形封头和带折边锥形封头,包括三类-大小端都不翻边、大端翻边小端不翻边、大小端都翻边[3]。这些锥形封头大多用在立式容器的下封头处,主要是流体向下流动时顺畅;也有应用在立式容器的中间段,用于变换直径的变径段。

在选用无折边锥形封头时,常规定设计时半锥角α≤30,但有时出于结构设计和节约钢材的需要,不得不加大半锥角α。文献[4]:对于无折边锥形封头,当α>30时,应用应力分析法进行计算。但到目前为止,我国的标准规范还没有正式制定出统一的应力分析计算方法。对此,1986年李福乐[5]等指出半锥角α>30的无折边锥形封头,用于低压容器时,用电算进行应力分析法设计计算,既经济又可靠。在此方法的基础上,经过大量计算数据的整理和分析后,1987年李福乐[6]等提出了一种应力分析的简易计算方法,用于大锥角无折边锥形封头与筒体等厚连接时,该法计算简便,同时计算偏差不大,完全满足工程设计的要求。当30<α<60时,在容器受内压后,封头与筒体连接处存在较大应力。该应力由附加弯矩及附加剪力引起,而附加弯矩及剪力的计算颇为繁冗。1996年,陈罕[7]采取与文献[8]相似的方法,对该附加弯矩及剪力的弹性力学薄壳理论解进行简化处理,得出了一简化计算方法。在前人总结的基础上,对于锥壳半顶角α>60,现没有一种完整的计算方法可以应用,这在此类锥壳封头的研究上存在阻碍,为此,2012年梁文元[9]等提出对于半顶角大于60的锥形封头,采用平盖公式计算过于保守,钢制化工容器强度计算可用于原理封头过渡圆角处的计算,为确定真实的应力值还应采用有限元分析。

薄壁压力容器的筒体与无折边锥形封头的连接处,在载荷作用下,因壳体形状的不连续,将会产生边缘效应。若结构设计不当,该边缘效应就会产生比薄膜应力大许多倍的边缘应力,这种应力容易引起容器破坏事故。对此,1992年蒋竹林[10]等通过对筒体和无折边锥形封头连接处进行有力矩理论的力学分析,归纳出了该处边缘应力的简便校核公式。对于简单形状和载荷的容器,工程上采用的是一种简便的解法,该法将壳体的解分为两部分,一是薄膜解;二则是上文中的有力矩理论的解。将两种解叠加就可以得出保持总体结构连续的最终解。然而对于复杂结构的压力容器的边缘应力的计算,这种方法便显得十分繁杂。所以,2001年郑耀辉[11]等提出运用有限单元法对压力容器的边缘应力进行分析,该法在整个计算过程中,无需写出力学方程,特别是无需建立微分方程,在一定程度上极大地提高了分析效率。

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容:用应变片测量、有限元分析以及理论值计算法对锥形封头应力强度做出分析。在查阅文献的基础上综述锥形封头各种形式下的应力分布规律及学习利用有限元软件参数化设计分析应力和探索国内外研究进展等。综合比较三种方法得到的结果,研究其差异性的产生,探讨平板封头的应力变化规律及影响因素。

时间安排:

1~3周:调研及查阅文献,翻译外文资料写出开题报告;

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4. 研究创新点

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