陕西科技大学机电过控复习专刊第四期第二部分.docx
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陕西科技大学机电过控复习专刊第四期第二部分
陕西科技大学期末考试复习题
——第四期第二部分
陕西科技大学编
机电过控系审
第二篇过程设备设计绘图
1.单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布？
筒壁屈服发生在何处？
为什么？
答：
单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚分布情况题图。
内压内加热时，综合应力的最大值为周向应力，在外壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值也在外壁，也是拉伸应力，比周向应力值小；径向应力的最大值在外壁，等于0。
内压外加热，综合应力的最大值为周向应力，在内壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值也在内壁，也是拉伸应力，比周向应力值小；径向应力的最大值在内壁，是压应力。
筒壁屈服发生在：
内压内加热时，在外壁；内压外加热时，在内壁。
是因为在上述两种情况下的应力值最大。
2,试比较承受均布载荷作用的圆形薄板，在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。
答：
周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：
周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：
应力分布：
周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力在板周边。
两者的最大挠度位置均在圆形薄板的中心。
周边简支与周边固支的最大应力比值
周边简支与周边固支的最大挠度比值
其结果绘于下图
3,两个直径、厚度和材质相同的圆筒，承受相同的周向均布外压，其中一个为长圆筒，另一个为短圆筒，试问它们的临界压力是否相同，为什么？
在失稳前，圆筒中周向压应力是否相同，为什么？
随着所承受的周向均布外压力不断增加，两个圆筒先后失稳时，圆筒中的周向压应力是否相同，为什么？
答：
临界压力不相同。
长圆筒的临界压力小，短圆筒的临界压力大。
因为长圆筒不能受到圆筒两端部的支承，容易失稳；而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用，使圆筒更不易失稳。
在失稳前，圆筒中周向压应力相同。
因为在失稳前圆筒保持稳定状态，几何形状仍保持为圆柱形，壳体内的压应力计算与承受内压的圆筒计算拉应力相同方法。
其应力计算式中无长度尺寸，在直径、厚度、材质相同时，其应力值相同。
圆筒中的周向压应力不相同。
直径、厚度和材质相同的圆筒压力小时，其壳体内的压应力小。
长圆筒的临界压力比短圆筒时的小，在失稳时，长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的压应力小。
4,承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。
对否，为什么？
且采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理。
对否，为什么？
答：
承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力，对。
只要设置加强圈均可提高圆筒的刚度，刚度提高就可提高其临界压力。
采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理，不对。
采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，是对的。
但加强圈多到一定程度后，圆筒壁厚下降较少，并且考虑腐蚀、制造、安装、使用、维修等要求，圆筒需要必要的厚度，加强圈增加的费用比圆筒的费用减少要大，经济上不合理。
5,根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度中，满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？
为什么？
答：
计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系
满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是设计厚度。
因为设计厚度是计算厚度加腐蚀裕量，计算厚度可以满足强度、刚度和稳定性的要求，再加上腐蚀裕量可以满足寿命的要求。
因为腐蚀裕量不一定比厚度负偏差加第一厚度圆整值的和小，最小厚度有可能比计算厚度小，而不能保证寿命。
6,为什么GB150中规定内压圆筒厚度计算公式仅适用于设计压力p≤0.4[σ]tφ？
答：
因形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁圆筒初始屈服压力与实测值较为吻合，因而与形状改变比能准则相对应的应力强度σeq4能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平
与中径公式相对应的应力强度为
随径比K的增大而增大。
当K=1.5时，比值表明内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1.25倍。
由于GB150取ns=1.6，若圆筒径比不超过5，仍可按中径公式计算圆筒厚度。
因为液压试验（pT=1.25p）时，圆筒内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.25×1.25=1.56倍，说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。
当K=1.5时，δ=Di（K-1）/2=0.25Di，代入中径公式得：
这就是中径公式的适用范围规定为：
pc≤0.4[σ]tφ的依据。
6,简述强制式密封，径向或轴向自紧式密封原理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。
答：
强制密封的密封原理：
依靠主螺栓的预紧作用，使垫片产生一定的塑性变形，填满压紧面的高低不平处，从而达到密封目的。
径向自紧式密封原理：
依靠密封元件在容器内部介质压力下，使径向刚度小的密封元件产生径向变形，压紧在径向刚度大的被连接件上，形成密封比压达到密封的目的。
轴向自紧式密封原理：
依靠密封元件在容器内部介质压力下，使轴径向刚度小的密封元件产生轴径向变形，压紧在轴径向刚度大的被连接件上，形成密封比压达到密封的目的。
如图所示的双锥环密封，在预紧状态，拧紧主螺栓使衬于双锥环两锥面上的软金属垫片和平盖、筒体端部上的锥面相接触并压紧，导致两锥面上的软金属垫片达到足够的预紧密封比压；同时，双锥环本身产生径向收缩，使其内圆柱面和平盖凸出部分外圆柱面间的间隙消失而紧靠在封头凸出部分上。
为保证预紧密封，两锥面上的比压应达到软金属垫片所需的预紧密封比压。
内压升高时，平盖有向上抬起的趋势，从而使施加在两锥面上的、在预紧时所达到的比压趋于减小；双锥环由于在预紧时的径向收缩产生回弹，使两锥面上继续保留一部分比压；在介质压力的作用下，双锥环内圆柱表面向外扩张，导致两锥面上的比压进一步增大。
为保持良好的密封性，两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封比压。
7,按GB150规定，在什么情况下壳体上开孔可不另行补强？
为什么这些孔可不另行补强？
答：
GB150规定：
当在设计压力≤2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径≤89mm时，满足下表的情况下，可不补强
接管公称外径
25
32
38
45
48
57
65
76
89
最小厚度
3.5
4.0
5.0
6.0
因为这些孔存在一定的强度裕量，如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上。
这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。
因此，可以不预补强。
8,压力容器设计时为什么必须要考虑开孔的补强问题？
压力容器接管补强结构主要有哪几种形式？
试画图说明。
答：
（1）开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患。
（2）补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强。
补强圈补强厚壁接管补强
整锻件补强
9,试推导内压薄壁球壳的厚度计算公式。
（10分）答：
根据平衡条件，其轴向受的外力必与轴向内力相等。
对于薄壳体，可近似认为内直径等与壳体的中面直径D
=
由此得
由强度理论知<=
用，代入上式，经化简得
由上式可得
10,简述爆破片的作用，并与安全阀相对比，简述其特点
答：
爆破片是一种断裂型安全泄放装置，它个爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也就被迫停止运行。
与安全阀相比，它有两个特点：
一是密闭性能好，能作到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。
11,预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？
答：
通过压缩预应力，使内层材料受到压缩而外层材料受到拉伸。
当厚壁圆筒承受工作压力时，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，外壁处的总压力有所上升，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。
12, 什么是不连续效应？
并简述局部应力产生的原因。
不连续效应就是由于容器总体结构的不连续，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。
产生原因：
由几种简单的壳体组成的壳体，在两壳体的连接处，若把两壳体作为自由体，即在内压作用下自由变形，在连接处的薄膜位移一般不相等，而实际上这两个壳体是连接在一起的，即两壳体在连接处的转角和位移必须相等。
这样在两个壳体连接处附近形成一种约束，迫使连接处壳体发生局部的弯曲变形，在连接边缘产生了附加的边缘力和边缘力矩及抵抗这种变形的局部应力
13,压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？
（1）常规设计：
1将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热应力。
2常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒体与部件中平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体和部件是安全的。
3常规设计规范中规定了具体的容器结构形式。
（2）分析设计：
1将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来,包括交变载荷,热应力,局部应力等。
2进行应力分类，再按不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。
3可应用于承受各种载荷、任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。
14,薄壁圆筒和厚壁圆筒如何划分？
其强度设计的理论基础是什么？
有何区别？
若圆筒外直径与内直径的比值≤1.1~1.2时，称为薄壁圆筒；反之，则称为厚壁圆筒。
薄壁圆筒强度设计以薄膜理论为基础，采用最大拉应力准则；厚壁圆筒的强度计算以拉美公式为基础，采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则设计。
15,采用补强圈补强时，GB150对其使用范围作了何种限制，其原因是什么？
补强圈等面积补强法是以无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为其理论依据。
但实际的开孔接管是位于壳体而不是平板上，壳体总有一定的曲率，为减小实际应力集中系数与理论分析结果之间的差异，GB150对开孔的尺寸和形状给予一定的限制：
1圆筒上开孔的限制，当其内径≤1500mm时，开孔最大直径≤，且≤520mm；当其内径＞1500mm时，开孔最大直径≤，且≤1000mm。
2凸形封头或球壳上开孔最大直径≤。
3锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径≤，为开孔中心处的锥壳内直径。
4在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。
16,在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？
容器若符合下列条件之一，则可不必开设检查孔：
①筒体内径小于等于300mm的压力容器；②容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸；③无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；④制冷装置用压力容器；⑤换热器。
17,试比较安全阀和爆破片各自的优缺点？
在什么情况下必须采用爆破片装置？
安全阀：
安全阀的作用是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。
其优点是仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易。
但密封性能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。
爆破片：
爆破片是一种断裂型安全泄放装置，它利用爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也被迫停止运行。
虽然爆破片是一种爆破后不重新闭合的泄放装置，但与安全阀相比，它有两个特点：
一是密闭性能好，能做到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。
因此，当安全阀不能起到有效保护作用
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