過程裝備特殊零部件應力分析

前言

過程工業(yè)與化工、煉油、動力、冶金、航空、航天、輕工、制藥、食品、環(huán)保等工業(yè)領域緊密關聯(lián)。過程裝備是過程工業(yè)中裝置的主體，而壓力容器是過程裝備構成的基礎。壓力容器一般是由殼體、封頭、法蘭等基本零部件及管板等內部構件組成。隨著當今世界科學技術的迅猛發(fā)展，壓力容器技術也在不斷創(chuàng)新。壓力容器及其零部件的尺寸越來越大，操作壓力和對零部件強度的要求亦越來越高，結構和形狀也更趨復雜。因此，壓力容器零部件的應力分析關系到壓力容器運行安全可靠性和使用壽命問題。 有關壓力容器的應力分析與強度設計，先后已出版了許多相關的書籍。因此，壓力容器常規(guī)零部件的強度分析本書不再贅述，而僅對作者在多年的科研工作中所從事的某些與壓力容器強度相關的特殊零部件的應力分析進行了探討，給讀者提供在其他參考書中沒有涉及的解決特殊零部件應力分析的方法和工程應用公式。這是本書的一個重要特色。 本書內容主要是討論過程裝備中一些既典型又特殊的零部件應力分析技術及其應用方法。顧名思義，它并不是設計手冊類的書籍。設計和應力分析具有不同的范疇。毫無疑問，設計規(guī)范、標準和設計過程要應用應力分析技術和相關成果，但設計過程還包含許多其他諸如可制造性、經濟性、服役安全性、應用行業(yè)差別等問題。應力分析本身則更專業(yè)、更具體一些。本書采取理論解析、有限元分析并結合試驗測試等方法討論解決過程裝備中的應力分析問題。這也是本書的一個特色。 本書闡述了特種管板、組合結構、Ω密封環(huán)、高頸法蘭、變徑段、合成塔有關內件、縱流殼程換熱器中特殊結構件等特殊零部件的應力分析的方法，并介紹了相應的實驗裝置和實驗方法，此外還介紹了強度可靠性分析技術及其在過程裝備特殊零部件中的應用。上述零部件強度分析結果，均已在工程中應用，并取得了滿意的效果。本書有極強的工程背景，其科學理論與工程實踐緊密結合是本書另一鮮明的特色。

內容概要

本書闡述了過程裝備特殊零部件的應力分析理論和工程應用方法，介紹了過程裝備特殊零部件相關的應力分析、熱應力分析、熱?力耦合分析、高溫強度分析、概率可靠性設計等多個工程分析設計人員所關注的問題。全書概念清晰，簡明易懂。為便于讀者理解和掌握這些方法，書中收集了大量的工程應用設計計算公式、曲線圖表以及適用參考數(shù)據(jù)，重點分析討論了許多典型的工程實例。提供了應用ANSYS程序對過程裝備特殊零部件進行有限元分析的命令流源程序。針對特殊零部件應力數(shù)值分析方法還詳細地介紹了有限單元法的基本原理和應用。書中還利用一章介紹了電測應力分析方法和相關測試裝置測量過程裝備特殊零部件模擬工作應力狀態(tài)的相關技術。     本書是一本過程工業(yè)裝備中設備及結構應力分析和計算的實用參考書。它介紹的是特殊零部件強度與可靠性計算的工程方法。其內容包括：特殊管板應力分析，組合結構應力分析，密封焊元件應力分析，塔設備變徑段、 氨合成塔內件、特殊法蘭等特種零部件的應力分析，縱流殼程換熱器H型結構分析，換熱器零部件可靠性分析，管殼式換熱器典型元件強度計算數(shù)值方法，模態(tài)法確定多孔板有效彈性常數(shù)技術與應用和概率設計技術原理等專題。     本書可供從事過程裝備、機械零件、設備及結構設計的工程技術人員和高等學校過程設備及控制工程、動力工程、熱能工程、機械工程等相關專業(yè)的教師、研究生、本科生使用和參考。對從事過程裝備材料和結構相關標準規(guī)范的理論和應用研究的人員也有參考價值。

書籍目錄

1　緒論 　1.1　概述 　1.2　過程裝備特殊零部件 2　特殊管板應力分析 　2.1　引言 　2.2　管板應力分析概述 　　2.2.1　管板和圓平板的主要區(qū)別  　　2.2.2　影響管板強度和剛度的主要因素 　　2.2.3　管板計算方法的主要假設 　2.3　管板應力分析 　　2.3.1　管板強度分析的理論依據(jù) 　　2.3.2　管板當作彈性基礎上的圓平板計算 　　2.3.3　管板強度計算公式 　2.4　高低溫管板熱應力分析 　　2.4.1　高低溫管板的概念 　　2.4.2　高低溫管板中的熱應力 　　2.4.3　高低溫管板熱應力分析的有限單元法 　2.5　高低溫管板應力分析的有限單元法 　　2.5.1　引言 　　2.5.2　位移模式和形函數(shù) 　　2.5.3　幾何關系 　　2.5.4　單元剛度矩陣的形成及程序實現(xiàn) 　　2.5.5　單元載荷陣  　　2.5.6　總體平衡方程組的求解 　　2.5.7　應力計算 　　2.5.8　高低溫管板應力計算結果分析 　2.6　高低溫管板應力分析的工程設計公式 　　2.6.1　引言 　　2.6.2　直徑與高、低溫管板應力影響系數(shù)的關系 　　2.6.3　過渡段厚度變化對高、低溫管板的應力影響系數(shù) 　　2.6.4　過渡段厚度對過渡段的應力影響系數(shù) 　　2.6.5　幾點結論 　　2.6.6　工程公式 　　2.6.7　計算實例 　　2.6.8　高低溫管板有限元分析 3　組合結構應力分析 　3.1　組合結構應力分析概述 　3.2　組合結構應力分析的解析法 　　3.2.1　位移分析 　　3.2.2　約束反力 　　3.2.3　內力分析 　　3.2.4　應力分析 　3.3　組合結構的熱應力分析 　　3.3.1　求環(huán)板與內外筒連接處的約束反力 　　3.3.2　熱應力 　3.4　組合結構應力分析的有限單元法 　　3.4.1　單元類型的選擇 　　3.4.2　截錐型旋轉殼單元基本理論 　　3.4.3　結論 　　3.4.4　建議 4　密封焊元件應力分析 　4.1　概述 　　4.1.1　密封研究現(xiàn)狀 　　4.1.2　高溫法蘭密封簡介 　　4.1.3　焊接密封簡介 　　4.1.4　焊接密封研究現(xiàn)狀 　4.2　圓形空腔式密封焊元件的有限元分析 　　4.2.1　力學模型建立 　　4.2.2　約束情況 　　4.2.3　載荷情況 　　4.2.4　單元選擇 　　4.2.5　網格劃分 　　4.2.6　力學基本方程 　　4.2.7　有限元位移模式 　　4.2.8　單元平衡方程 　　4.2.9　單元剛度矩陣的形成 　　4.2.10　整體剛度矩陣的形成 　　4.2.11　整體剛度矩陣的貯存 　　4.2.12　單元節(jié)點力向量的移置 　　4.2.13　單元內應力 　　4.2.14　主應力求解 　4.3　應力分析的程序實現(xiàn) 　　4.3.1　前處理程序QCL 　　4.3.2　應力分析程序的功能與框圖 　　4.3.3　后處理程序的功能和框圖 　4.4　結果分析 　　4.4.1　結構在受內壓時產生的內應力 　　4.4.2　結構尺寸對應力的影響分析 　　4.4.3　回歸結果 　　4.4.4　設計方法 　4.5　圓形空腔式密封焊元件應力有限元分析 5　特種零部件應力分析 6　實驗應力分析 7　縱流殼程換熱器H型結構分析8　換熱器零部件可靠性分析 9　管殼式換熱器典型元件強度計算數(shù)值方法 10　模態(tài)法確定多孔板有效彈性常數(shù)技術與應用 參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：2特殊管板應力分析2.1 引言換熱器是一種廣泛使用的過程裝備，在煉油、化工、動力、冶金、輕工等工業(yè)部門中是主要的工藝設備之一。因此，換熱器的研究備受重視，從換熱器的設計、制造、結構改進到傳熱機理的試驗研究一直都在進行。而管板是這一類設備的重要零部件之一。由于管板上開有眾多的不連續(xù)通孔，因而其應力分布、強度問題十分復雜，至今仍未找到一種既簡單又準確的設計方法。通常，工程設計人員在對管板進行分析計算時，都是按照換熱器和壓力容器規(guī)范——如美國的規(guī)范TEMA、前蘇聯(lián)的規(guī)范PTM、英國的規(guī)范BS5500、法國的規(guī)范COAP等所提供的公式圖表進行的。但對于組合管板目前尚無相應規(guī)范解決其強度計算問題，理論和實驗上的文獻資料也很匱乏。本章重點介紹組合管板的應力分析方法。2．2管板應力分析概述管板是管殼式換熱器的主要零部件。在進行管板強度計算時，一般將其看成類似周邊支承的圓平板。顯然管板要比平板復雜得多，影響其強度的因素很多，精確地進行管板應力分析是比較困難的。現(xiàn)行國際上各國所采用的管板強度計算公式，都是進行了適當?shù)暮喕?，并在一系列條件下得出來的。

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