内压薄壁容器简化计算公式的研究开题报告

1. 研究目的与意义

说起压力容器，我们最先想到的是“锅炉”，然而它的大量使用还是在化工和石油方面。由于压力容器的是内部或外部承受气体或液体压力，且对安全性有一定要求的容器，所以压力容器的设计就显 得非常重要，而容器设计的关键说法是其强度的计 算，通过强度计算，对设计受内压的薄壁容器来说， 就是求出壳体的壁厚。对已给定尺的容器来说，就是 核算其最大允许载荷。因为压力容器中薄壁容器较多，我们就以薄壁容器为例探讨压力容器设计中的强度计算。压力容器是化工、石油化工、机械中广泛使用的承压设备。尽管各类压力容器设备功能各异、结构复杂程度不一，但从整体上看，一般以薄壁的旋转壳为主要构型，同时又可把整体分解为筒体、封头、法兰、开孔、接管、支座等部件。这些部件构型相对比较简单，均具有明显的各自特点，并可以方便地进行归类分析。在传统的设计中，鉴于压力容器安全问题的重要性，压力容器的设计往往偏于保守，使得设计的容器又笨重，又浪费材料，而且使制造成本明显升高，造成了大量的浪费。而且随着化工设备越来越趋于大型化的设计，这种浪费显得更加令人婉惜。但是，随着计算机技术水平的飞速发展，使得我们可以对一些计算公式进行简化，对化工机械设计起到优化设计的作用，从而可以达到节约材料且使设备更加轻便。 内压薄壁容器，常见的结构为钢制圆筒形结构，主要由 钢制圆筒体和两端的封头组成。并设有工艺接 管、人孔、手孔及保护容器安全而设置的安全装置 等，整个容器借助支座安放在基础上［。 其整体设计归结为筒体强度计算、封头强度计算、 压力试验及应力校核、开孔补强设计计算、支座设 计计算５个模块。通过这样的模块设计，使设计 过程环环相扣、衔接紧凑，确保化工设备能够长效 安全地运转。掌握了设计的这５个模块，相当于把握了薄壁 压力容器设计的核心，确保容器在安全的前提下， 达到结构合理、易于制造、使用可靠和造价经济等目的。压力容器和管道遍布于石油、化工、电力、冶金、轻工、医药等各工业领域，随着压力容器和管道应用领域的不断扩大，应用环境也越来越苛刻“1．一些按照常规强度理论设计的压力容器和管道，会在服役期间(如1965年美国发生著名的260sl一1固体火箭发动机压力壳体断裂事故；1970年3月，芬兰合成氨高压气体水冷器在运行过程中突然破坏。)，甚至在试压期间(如，英国johnthompson公司1965年12月制造的一台大型氨合成塔水压试验时发生脆性断裂；1966年英国cockenzil电站高压锅炉汽包在水压试验时发生断裂破坏)，发生灾难性的破坏”。那为什么会在没有超过强度条件的情况下发生断裂破坏呢，随着断裂力学的发展，人们逐渐认识到，主要是由于作为设计依据的常规强度理论把材料一律视为理想的均匀连续体(无缺陷)，而事实上，材料在冶炼、轧制、焊接过程中存在缺陷，正是由于缺陷在一定外部条件下的迅速扩展，才造成了大量的灾难性事故。例如”，某家工厂的催化车间管道一年内泄漏达602次之多；1994年3月至1995年3月一年问，山东，安徽、吉林、辽宁、河北五个省的5起管道事故死亡57人，伤149人，其中可统计的直接经济损失达3533万元；据1998年和1999年两年的不完全统计，共发生管道爆炸事故16起，其它严重事故14起，死亡46人，伤209人，直接经济损失812万元。国内外每年因压力容器和管道断裂及塑性失效造成的损失十分巨大，仅就大型电站锅炉的过热器，省煤器、水冷壁和再热嚣管的爆漏一项统计，四管的爆漏导致大型火电机组的停用时间约占非计划停用时间的40％，占锅炉设备非计划停用时间的70％。裂纹是导致压力容器及管道断裂和塑性失效事故的主要原因，如Ⅲ英国压力容器和管道失效事故中，裂纹造成的事故占89．3％，我国相应比例为62．5％。这些事故都带来严重的后果，使社会的生产和经济遭受严重破坏，人民的生命和财产蒙受重大损失。因此，压力容器和管道的完整性研究一直受到人们的高度重视。压力容器和管道的完整性研究过程中，对于制造中的压力容器和管道，主要是加强制造工艺和制造技术，减少构件制造过程中产生的缺陷。对于在使用中产生缺陷的压力容器和管道主要通过完整性评定保证其安全运行，而失效评定是完整性评定方法中重要的内容，因此，为保证含缺陷压力容器和管道的安全运行，对其失效评定就变得尤为重要。

2. 研究内容和预期目标

学习化工设备中关于内压薄壁容器力学分析的内容，学习公式的推导，查找文献，对文献中对薄壁容器的力学分析进行学习并学习薄壁容器的简化计算的方法，对已有不同条件和不同假设情况下计算公式进行推导研究，运用ANSYS对内压容器进行数值分析，使公式在满足强度、刚度、稳定性和工程允许误差范围的情况下进一步简化，不仅达到优化计算公式的目的，还达到节约材料 、节约成本的效果。

3. 研究的方法与步骤

1. 学习化工机械设备中内压薄壁容器力学分析的一部分内容 ，学会公式的推导和应用分析。

2. 研读薄壁容器相关的文献寻找薄壁容器的简化计算方法。

3. 学习薄壁容器的简化计算方法 。
4. 基于数值计算方法，采用有限元平台ANSYS，定义单元-定义材料属性-建立几何模型-划分网格-施加边界约束和内压荷载-求解-后处理功能。对相关简化计算公式的条件进行定量分析 。
5. 得出公式适用的条件，并总结相关结论。

4. 参考文献

1、孙训方等编，材料力学(第5版）[m]，高等教育出版社， 2009.

2、龚曙光编著，ansys基础应用及范例解析[m]，机械工业出版社.2004 .

3、史南达·鲍务均，利用有限元软件对压力容器进行优化设计[j]，机械设计与制造, 2005年 10期.

5. 计划与进度安排