内压薄壁容器碟形封头的应力研究-理论_实测与有限元分析对比.pdf

化工装备技术》第21卷第5期2000年
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內压薄壁容器碟形封头的应力研究
理论、实测与有限元分析对比
张吴星
(湘潭大学
摘要对碟形壳体的应力进行了理论分析(解析计算)和有限元分析计算;对一内
压薄壁容器的碟形封头进行了外壁应力实测,并将实测结果、解析结果和有限元结
果进行了对比分析;探讨了碟形封头的应力变化规律及其原因
关键词碟形封头应力有限元试验
准确地了解碟形封头的应力状况,笔者多次对
1前言
我校化机实验室的一台碟形封头薄壁容器进行
中低压容器广泛采用椭圆形封头,但由于了应力测试,并用解析方法和有限元分析的方
椭圆形封头在冲压成形时,其形状、尺寸难以法进行了理论探讨
掌握,而一般采用碟形封头代替。对于碟形封
头的应力与强度的研究目前尚不多见。为了较2碟形封头的应力测定试验
本试验所用的碟形封头,其设计压力为
张是星,女,1959年1月牛:实验师。湘潭市,411105
IMPa,直径D=500mm,球面部分的半径R
由表2可知,爆破时,密封膜所占爆破压破,其拱高的变化相对于泄放口径D可以忽
力的百分比随密封膜厚度的増加而増加,泄放略,即可用成型拱高ho作为爆破时的拱高
口径小或爆破压力低时,就特别明显,所以在haw。这样,成型拱高一定,密封膜所能承受的
进行正拱开缝型爆破片强度膜厚度估算或开缝压力也就确定,根据所需组合膜片的爆破压力,
尺寸调整时,特别是在低压小直径的情况下,不就可进行强度膜厚度和开缝尺寸的估算。
能忽略密封膜对爆破压力的影响,否则会给强
(3)在进行正拱开缝型爆破片爆破压力估
度膜厚度和开缝尺寸的确定带来较大的误差。算或尺寸调整时,特别是在低压小直径的情况
下,不能怱略密封膜对爆破压力的影响,否则
4结论
在确定强度膜厚度和开缝尺寸时会带来较大的
(1)要使多层组合式爆破片能正常地工作,误差。
要求密封膜材料的塑性必须好于强度膜材料的
塑性,同时密封膜的爆破压力要小于组合膜片
参考文献
的爆破压力。这样才能保证受压时密封膜能和
吴泽炜等.爆破膜的爆破让算.化工设备设计,
强度膜贴合,共同承受变形,并且在强度膜达
1984,(
2顾雪铭.环向开型爆破片爆破性能研究:[倾士:论文
到承载极限时,密封膜也能立即爆破
上海:华东增大学,199
(2)対子于正拱开缝塑爆破片,从受乐到爆 Publishing House. All rights t行:20
内压薄壁容器碟形封头的应力研究一一理论、实测与有限元分析对比
500m,折边(即过渡段)半径r=75mm,厚度
为求过渡段部分的薄膜应力,应先求出其
5mm。为了测定应力变化梯度,测试点的布第二曲率半径。如图2所示,过渡段的第二曲
置如图1所示。共测试了14个点。试验时升压率半径为
和卸压程序为:P=0→0.1→0.2→0.3-0.4→
2=ac= ab+bc=r+
0.5→0.6→0.5→0.4→0.30.2→0.1→
sin@
0MPa。压カp=0.5MPa的测试结果连同下面而第一曲率半径为r=r(=75mm),所以过渡
的理论分析与有限元分析结果一起示于图3和段的薄膜应力为
图5,其中代表经向应力,?代表环向应力。图
经向应力
3和图5的横坐标代表由图1所示的自点1
0.5R
开始量度的弧线距离
sin@
环向应力
球面部分14
过区
0悄=(?2
0.5R-
in Q
D
需要指出的是,在球面与过渡段的连接点
图1应力测点示意图
处,即图2的点f和点g处,二者的经向薄膜应
1、2、3
力是相等的。这是因为在此处二者有公切线;若
3碟形封头的理论应力分析
无公切线,经向薄膜应力是不会相等的。而不
论有无公切线,连接点处的环向薄膜应力是不
相等的。这是因为在连接点处存在边缘力和力
矩,从而引起了弯曲应力。根据理论推导
可求得外壁面边绿应力如下
球面部分
经向边缘应力
12.8.5()
CO S
12.85sin12.850tgo
+48e~2.8o
sin12.85
环向边缘应力
0%=-49.95
12.85(0
cos12.850
12.8:
112.850
图2碟形时头尺寸关系
过渡段部分
经向边缘应力
碟形封头由球面部分和过渡区两部分组
85.25e
2.330Gin2
33
成,如图1、2所示。由于试验所用的介质压力
环向边缘应力
为油压,且容器不高,故可视为均匀内压。因
月=91.71e2s"(cos12.85(usin2.3o
此,球面部分薄膜应力为:
对球面:由点f向点h方向增
经向应力W=
大:对过渡段:由点f向点e方向增大,如图2
R
所
c环向应力2Ch=2
emic Journal Electronic Pubi懃力薄膜应男边缘成牙,即: p: //www