N (b) 自设备上引出接管 钢活套渣兰 图7设备上引出接管 图8不锈钢活套法兰 四、复合钢板 不锈复合钢板是一种新型材料,它是由碳钢或普低钢为基层,不锈钢为复层组成的钢 板。一般复层度仅为其厚度的1/3-1/10。基层的诈用是承受强度,复层则用作防腐层与介 质接触。应用不锈复合钢板,不仅节约了不锈钢.而且它的导热系数为单一不锈锅的1.5-2 倍,因此特别适用于制造既要耐蚀又要求传热的设备。 不锈复合钢板的焊接比单一钢板复杂,如果处理不当,焊缝区将是坛易腐蚀之处。为了 保证复层淖缝的耐蚀性,必合理地选用层、过渡层和复层焊条,如囹1C所示,严格照 先后次序施焊,必需保证复层焊缝的完整性。过渡层焊条的合金成分要高于发层中的合金成 分,以弥补烧损与稀释。 磯钢焊条于工打底 碳钢自动焊 过渡层焊条0.5-1.5 复层焊条 瀏与碳钢联接时 件的应用 YD Z 复合钢板对接缝 日9不锈钢与谰连接时过渡件的应用 图10复合钢板的对焊
第一篇化工容器的力学基础 本篇讨论在“化工容器及设备”设计中所应用的应力分析的基本知识。包括弹望性理论 的有关内容、圆板理论、旋转薄壳理论等。 第一章弹-塑性理论分析方法 本章述弹性力学的基本概念和分析方法,以及塑性力学的基本概念。弹性力学部分着 重介绍化工容器设计中经常遇到的弹性力学的平面问题和空间轴对称问题;塑性力学部分着 重介绍现代压力容器设计中涉及的极限载荷慨念和安定性概念 第一节弹性力学的内容和分析方法 1-1-1弹性力学的内容 弹性力学是研究物体在弹性范围内由于外载荷作用或物体温度改变而产生的应力、应瓷 和位移。就这一方面而言,弹性力学的任务和材料力学是相似的。材料力学中关于弹性体的 均匀连续假设私各向同性假设也适用于弹方汴。 弹性力学和材料力学不同处在于材料力学要研究杆件和比较筒单杆件系绕,且在研 究杄件和杄件系统时,采用了关于变形或应力分布的假设,并以一个有限大的单元体作为新 究对象;而弹性力学除了研究杆件外,还研究平面问题及空间问题,右研究这些问题时,并 不采用变形或应力分布之类的假设,由于结构和受力的复杂性,以无限小的单元体作为研究 和分析问题的出发点。 1-1-2弹性力学中的几个基本概念 弹性力学中经常用到的基本概念有外力、应力、应变和位移。 作用于物体的外力可以分为体积力(体力)和表面力(面力)两种。体力是分布在物体 体积内的力,例如重力和惯性力;面力是分布在物体表面上的力,例如流体压力和接触力。 物体在外力作用下将产生变形。为了反抗这种变形,其内部就要产生相互作用力,称之为 内力。内力在各点的集度就是各点的应力。对于应力,避常都用它沿作用截面的法线方向和 切线方向的分量,即正应力a和剪应力τ来表示。因为这啦分量与物体的形状改变或材斜的 强度有直接的关系。 为了考察物体受载后内部某一点P的应力,在P点从物体内取出一个微小的正六面体,它 的棱边平行于坐标轴,长度为:PA=4x;PB=4y,PC=,如图1-!所示。 面上的应力分解为一个正应力和两个剪应力,分别与三个坐标轴平行。为了表明应力的用 面和作用方向,在正应力上加一个坐标角码,例如0,是指作用在垂直于x轴的面上,并与 x轴方向平行的正应力在剪应力τ上加两个坐标角,前一个角码表明作围垂直于哪一
i 图1-1弹性体内某一点P的应力 坐标轴,后一个角码表明作用方向沿着哪一个坐标轴,例如r是指作用在垂意于X轴的面 上而沿y轴方向作用的剪应力。如果某一个面上的外法线是沿着坐标轴的正方向,这个截面 就称为个正面。在这个面上的应力分量就以沿坐标轴正方向为正,沿坐标轴负方向为负。 反之,如果某一个截面上的外法线是沿着坐标轴的负方向,这个戴面就称为一个负面,而这 个面上的应力分量就以沿坐标轴负方向为正,沿坐标轴正方向为负。图1-1所示的应力分量 全部都是正的 六个剪应力之间具有一定的互等关系。例婚,以连接正六面体前后两面中心的直线a为 矩轴,见图1-1,写出力矩平衡方程为 2T3: adry 2T dyer 由此得到 同样可以建立其余两个相似的方程,可得出 这就证明了剪应力互等定律,即作用在两垂直面上且垂直于该两面交线的剪应力是互等的, 大中初等,正负号也相同,因此,剪应力记号的两个角码可以对调。 于是,九个应力分量中,只有六个未知量,即三个正应力a,0和三个剪应力
τ,;ra和材料力学的分析相似,利用静力平衡,过P点所作的任意斜截面上的应力,都可 用上述六个应力分量来确定。所以,这六个应力分量确定为P点的应力状态。应力分析的目 的,就是确定物体受载后各点的六个应力分量,进而求得主应力,作为强度设计的依据。 物体的形状可以用它各部分的长魔和角度来表示。因此,物体受外载后的变形,也可以 归结为长度的改变和角度的改变。如求物体内某点P的变形,可在P点沿坐标轴X、y、z正 方向取三个微小线段PA、PB、PC,如图1-1所示。物体变形后,PA、PB、PC的长度 以及它们之间的直角一般都将改变,各线段的每单位长度的伸长或缩短称为正应变,用字母 e表示;各线段之间的直角改变,以弧度为单位,称为剪应变,用字母表示。在正应变t 加一个坐标角码表示伸缩的方向,如表示x方向的线段PA的正应变;在剪应变Y上加两个 坐标角码,表示那两个线段之间的直角改变,如Yy表示y与x两方向的线段即PD与PC之时 的直角改变。正应变以伸长为正,缩短为负;剪应变以直角变小时为正,变大时为负。这些 规定和正应力、剪应力的符号规定是相适应的 物体内任一点的位移,用它在x、y、z三轴上的投影",U,四来表示。沿坐标轴正方向 为正,反之为负。这三个投影称为该点的位移分量。 一般而论,弹性体内任意一点的体力分量、面力分量、应力分量、应变分量和位移分量 是随着该点的位置而变的,因而都是位置坐标的函数。弹性力学所研究的绝大多数是静不定 问题,必须综合应用平衡(应力、体力、面力之间的关系)、几何(应变、位移、边界位移 之间的关系)和物理(应力、应变之间的关系)三个方面的方程才能得到问题的解答。 第二节弹性力学的平面问题 1-2-1平面应力和平面应变 任何弹性体都是空间物体,一般的外力都是空间力系。因此,任何一个实际的弹性力学 问题都是空间问题。但是如果所考察的弹性体具有某种特殊的形状,承受的是某种特殊的外 力,就可以把空间问题简化为平面问题。这样处理,可以大大减少分析和计算的工作量,而 仍能满足工程上的精度要求。 平面问题可分为平面应力问题和平面应变问题。 当弹性体的一个方向尺寸很小,例如薄板,在板的边掾有平行于板面并沿板厚均匀分布 的力作,如图1·2所示图中S与板厚。对于这类问题,由于两个板面上无外载作用,因而 两个板面上的应力分量为零,即 =±z 1-2平面应力示例 又因为板很薄,外力不沿厚度变化,应力沿着板的厚度又是连续分布的,所以在整个板内的
所打点都有=0,t=0,τ0。六个应力分量只剩下平行于xy面的三个应力分量,段 口,,rn,而且它们只是座标x,y的函数,与z元关。这类问题称做平面应力问题 LIIIIII 图1-3平面应变示例 当弹性体的一个方向尺寸很大,例如很长的柱形体。在柱形体的表面上,有平行于横截 面而不沿长度变化的外力,如图1-3所示。若柱形体无限长,则柱形体任一点的应力分量、 应变分量和位移分量都不沿x方向变化,而只是x、y的函数;此外白于在z方向柱形体的结 构型式和受力都相同,因此任一横截面都可以看作是对称面,而对称面在z方向的位移必须为 零,所以柱形体内任一点都只有x,y方向的位移以,U由于对称,ry=0,tx=0,这样六 个应力分量剩下四个,即σ,σ和τ这类问题称做平面应变问题。 有些问题,例如承受内,外压的圆管和重力坝等,虽然不是无限长,但实践证明,对于 离开两端较远之处,按平面应变问题进行应力分析,得出的结果具有足够的精度,能满足工 程要求 1-2-2乎面问题的基本方程 、平衡方程 对于平面应力问题,从图1-2所示的薄板上取出一个微小的正六面体,沿x,y,z方向 的长度分别为4x,dy和1个单位。因为应刀分量是位置坐标x,y的函数,所以作用在小单 元体两对面上的应力分量是不同的。在垂直x轴的两个面上的应力分别为口T,和口,+ ax“,x心d,在垂直y轴的两个面上的应力分别为,t,和,+以xy, 3xdy因为正六面体是微小的,各面上所 受的应力可以认为是均匀分布,其合力作用在 对应面的中心。正六面体上的外力为体力,沿 x,y轴的分量为X,Y。体力X,Y也可以认 为是均匀分布,其合力作用在体积中心。正六 面体的受力情况如图1-4所示。 对于平面应变问题,由于沿长度方向所有 dy 横截面的情况都相问,所以只需考虑相隔图1-4良角坐标中平面问题微体的受力图 一个单仪长度的两截之间的一片就够了。例如在图!-3任意位置取出相隔距离为一个单