大学科目《过程设备设计》第三版(14章) 课后思考题和答案.docx

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1、第一章思考题(P20)1.压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？(1)简体：筒体是压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器最主要的受压元件之一。(2)封头：封头一般装在或焊接在筒体两端，用于方便检修或更换内件时的多次开启，并封住筒体的两端。(3)密封装置：压力容器上需要许多密封装置，如封头利简体间的可拆式连接、接管、人孔、手孔盖的连接等，可以说，压力容器能否安全可靠的运行在很大程度上取决于密封装置的可靠性。(4)开孔与接管：为了满足工艺要求和检修需要。(5)支座：将压力容器支承并固定在基础上。(6)安全附件：由于压力容器的使用特点及其内部介质的化学工艺特性，往往

2、需要在容器上设置一些安全装置和测量、控制仪表来监控工作介质的参数，以保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。2 .介质的毒性程度和易燃特性对压力容器设计、制造、使用和管理有何影响？介质毒性程度对压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料的选用、制造、检验和管理的要求愈高。Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害的介质的压力容器。盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。盛装中度毒性介质的容器，法兰公称压力不

3、得小于1.OMPa；盛装高度或极度毒性介质的容器，法兰公称压力不得小于1.6MPa,应应尽量选用带颈对焊法兰。介质易燃性对压力容器的选材、设计、制造和管理提出了较高的要求。易燃介质压力容器所有焊缝均采用全焊透结构。3 .压力容器安全技术监察规程在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视容积、介质组别进行分类？压力容器安全技术监察规程依据整体危害水平对压力容器进行分类，若压力容器发生事故时的危害性越高，则需要进行安全技术监督和管理的力度越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。压力容器所蓄能量与其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储藏的能量越大，发生

4、破裂爆炸时产生危害也越大。因此,压力容器安全技术监察规程在确定压力容器类别时，不仅要根据压力的高低，还要视压力与容积的乘积pv大小进行分类。第二章思考题(P74)1一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么？(1)壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，构成壳体的材料的物理性能相同；(2)壳体的边界处不受横向剪力、弯矩作用；(3)壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度；(4)(R)InaX0.1。2 .推导无力矩理论的基本方程时，在微元截取时，能否采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么？不能。经向应力的方向沿经线的切线方向。若采

5、用两个相邻的垂直于轴线的横截面截取微元，则这两个面上的正应力垂直于该截面，不一定与经线切线方向相同，因此不一定是经向应力(主应力)。3 .试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比ab=2的原因(1)应力分布。椭球壳应力的大小与封头长轴与短轴之比a/b有关。随着a/b值的增大,与同体连接处周向应力Cra的值不断降低，当ab21.42时变为压应力。当a/b的值太大时会产生过大的而且此时为压应力，可能引起失稳。(2)加工制造。a/b的值越小，封头越深，冲压难度越大。综合上面两方面原因，选取ab=2此时与同体连接处周向应力b不致过大，而且封头较浅，易于冲压加工。4 .何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有那些

6、重要特征，其中与J而两个参量的物理意义是什么？(1)由于总体结构的不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。(2)不连续应力的重要特征：局部性、自限性。(3):因次为长度的系数。在离边缘的距离大于则可忽略边缘力和边缘弯矩的作用。F:=2.5oJ瓦表明了边缘效应的量级。一般情况下，2.5J后与壳体半径R相比是一个很小的数字，说明了边缘应力具有很大的局限性。5 .单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？当承受的内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承教能力，为什么？(1)仅在内压作用下，厚壁圆筒壁中的应力分布有如下特征：周向应力及轴向应力C

7、r二均为拉应力(正值)，径向应力。,为压应力(负值)。轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半，即除q外，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K值有关。(2)不能。在同一内径下，壁厚越厚，则K值越大，应力沿壁厚的不均匀程度越严重,以致当内壁材料开始出现屈服时，外壁材料尚未达到屈服，因此筒体材料强度不能得到充分的利用。另外随厚度加大，材料性能降低，许用应力降低。不能。周向应力径向应力轴向应力6 .单层厚壁圆筒同时承受内压Pj与外压P作用时，能否用压差=piP代入仅受内压或仅受外压的厚壁圆筒壁应力计算式来计算筒壁应力？为什么？在内外压力作用下厚壁圆筒的三向应力表达式如下：_二P

8、iE-1-R；-R；R；-R；r2PiRy-PoR;(P1PQR国1CT-,R：_R；R；-R；r2PA-PAJ.=RR；上式为拉美公式，由上式可见，仅承受内压或外压作用只是上述公式应用的一个特例(Pi=O或P,=0),因此不能用压差代入进行计算。7 .单层厚壁圆筒在内压与温度同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布？筒壁屈服发生在何处？为什么？在厚壁圆筒中，如果由内压引起的应力与温差所引起的热应力同时存在，在弹性变形的前提下简壁的总应力为两种应力的叠加，具体计算公式见书中表2-3,分布情况见下图：(a)内加热情况(b)外加热情况由上图可见，内加热时，内壁应力叠加后得到改善，而外壁应力有所恶化。外

9、加热时则相反，内壁应力恶化，筒壁屈服发生在内壁面处。8 .为什么厚壁圆筒微元体的平衡方程q,-%=广竽,在弹塑性应力分析中同样适用？ar微元体的平衡方程是从力的平衡角度列出的，不涉及材料的性质参数(如弹性模量,泊松比），不涉及应力与应变的关系，故在弹塑性应力分析中仍然适用。9 .一厚壁圆筒，两端封闭且能可靠的承受轴向力，试问轴向、环向、径向三应力之关系式G=生土生,对于理想弹塑性材料，在弹性、塑性阶段是否都成立，为什么？2是。弹性区推导过程见P41塑性区推导过程类似，平衡方程及几何方程不变，物理方程有变化。物理公式中以E.（E为材料此时在应力应变曲线中所处位置与原点连线的斜率）代替E,在推导过

10、程中E能消去，因此仍有。某一物体材料为理想弹塑性材料，受某种载荷F作用。若载荷较小，物体处于弹性状态，应力为Ox、OVN应变为外、8八Z,应力应变满足胡克定律。加大载荷，当F变成aF时，若物体仍处于弹性状态，则应力为a。,、anaz,应变为aex、a4、az,应力应变仍满足胡克定律。当F变成bF时，若物体处于弹性与塑性转变状态，则应力为bo。b。,、bz,应变为bex、b%、bz,应力应变仍满足胡克定律。当F变成CF时，若物体处于塑性状态，则应力为b。x、b。八b。,应变为dex、dndz,应力应变不再满足胡克定律。物体应力状态与弹性塑性转变瞬间应力状态相同，即物体进入塑性状态后，应力不再发生

11、变化。物体的应变继续增大，各应变之间比值保持不变，直至物体破坏。物体应变是因为受拉扯（或挤压、扭曲等）产生，若各个方向的拉扯程度始终保持同一比例关系，则各个方向的应变也会始终保持某一比例关系。塑性状态下d=v-（+.）=v-（+.）oG=%芋1与材料性质无关，因此EE2对于理想弹塑性材料，该式仍成立。10 .由两个厚壁圆筒，一个是单层，另一个是多层圆筒，二者径比K和材料相同，试问这两个厚壁圆筒的爆破压力是否相同？为什么？相同。据FaUPeI公式：Pb=与可知，爆破压力只与径比K和材料V3Ob的b.、q有关，而与圆筒层数无关。单层简体焊缝较深质量不易保证，多层简体焊缝可以相互错开。单层筒体太厚时

12、材料质量难以保证。多层筒体各层之间贴合难以保证。11 .预应力法提高厚壁圆筒的屈服承载能力的基本原理是什么？对于压力很高的容器，工程上通常对圆筒施加外压或自增强处理，使内层材料受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。当厚壁圆简承受内工作压力时，筒壁内的应力分布由按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成。内壁处的总应力有所下降，外壁处的总应力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的应力分布。从而提高圆筒的初始屈服压力，更好地利用材料。12 .承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么？（1）力学特征有以下几点：板内为二向应力巴.，平行于中面各层相互之间

13、的正应力q及剪力。引起的切应力T均可忽略;正应力。,沿板厚度呈直线分布，在板的上下表面有最大值，是纯弯曲应力；应力沿半径的分布与周边支承方式有关,工程实际中的圆平板周边支承是介于固支和简支两者之间的形式；薄板结构的最大弯曲应力CrmaX与（R尸成正比，而薄壳的最大拉（压）应力bmax与R成正比，故在相同R/t条件下，薄板所需厚度比薄壳大。（2）见13 .试比较承受横向均布载荷作用的圆形薄板，在周边简支和固支的情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。最大挠度：周边固支时：最大挠度为板中心挠度，其值为64。C.PrA周边简支时：最大挠度为板中心挠度，其值为Uax=-+64D1最大弯曲应力：周边固支

14、时：最大应力为支承处的径向应力，其值为：（。，RaX=红与；4/周边简支时：最大应力为板中心处的径向应力，其值为：_3（3+）PR?（bJmax-Q2014 .试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受内压的回转壳相比有何异同？壳体在承受均布外压作用时，有两种可能的失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；另一种是因刚度不足，发生失稳破坏，而失稳是破坏的主要形式。在内压作用下，壳体将产生应力变形，当此应力超过材料的屈服点，壳体将产生显著变形，直至断裂，即发生强度破坏。15 .试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力，采用高强度材料是否正确，为什么？对于承受均布外压的钢制长圆筒，临界

15、压力“=2.2E（-1）3。临界载荷与t（壳体壁厚）、Do（圆简外径）和E（弹性模量）这些因素有关。对于承受均布外压的短圆筒，临界2SQEt2压力PCr=./临界载荷与t（壳体壁厚）、Do（圆简外径）、E（弹性模量）和1（圆1DoJdjI筒的计算长度）这些因素有关。对于D/t比值小的厚壁圆简，将发生屈服失效，提高材料屈服点可提高承载能力，采用高强度材料较经济；而对D/t比值大的薄壁圆筒，将发生失稳。因各类钢的弹性模量E变化不大，采用高强度钢对提高筒体的稳定性作用不显著。16 .求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法？受内压壳体与接管连接处附近的局部范围内会产生较高的不连续应力,工程上常采用应力集中系数法、数值解法、实验测试法和经验公式计算局部应力。17 .圆柱壳除受到介质压力作用外，还有哪些从附件传递来的外加载荷？除受到介质压力作用外，过程设备还承受通过接管或其他附件传递来的局部载荷，如：设备的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等。18 .组合载荷作用下，壳体上局部应力的求解的基本思路是什么？