第43卷第2期 化工设备与管道 Vo1.43 No.2 2006年4月 PROCESS EQUIPMENT&PIPING Apr.2006 加强环加强的受压长圆筒(管道)应力的解析算法 洪定楚 (中国成达工程公司,成都610041) 摘要:对用加强环加强的受压长圆筒或管道(简称加强圆筒)应用薄壳力矩理论微分方程的解析解求解加强圆 筒中的各项应力。 关键词:加强环;长圆筒;解析解;应力 中图分类号 ̄TH049 文献标识码:A 文章编号:1009—3281(2006)02-0011-05 Analysis of Stresses in Pressurized Long Cylinder(Piping)Stifened by Stifeners Hong Dlngchu (China Chengda Engi ̄ering Co.Chengdu,610041) Abstract By using the analysis solution of differential equations based on thin shell theory,the stresses in pressurized long cylinder OF piping stifened with stiffeners were analyzed. Keywords stiffener,long cylinder,analysis solution,stress 加强环加强的圆筒常用于特殊用途的反应器壳 体和特殊用途的管道。换热器用整体低翅片管也属 于此种压力元件。加强圆筒中的应力求解除可用有 限元法外,亦可用解析法。3B康托诺维奇在他的著 作…中给出了“用许多胎环增强的圆筒形外壳”中 应力的解析解。该法将加强环视作包在圆筒外表面 上的环,受压后环与筒间的联系是环作用在圆筒外 表面上的径向压力,并将此压力简化为环中径上单 图1 加强圆筒结构示意图 位长度上的径向力,然后用薄壳力矩理论微分方程 具有相等的厚度和长度; 的解析解,将各环相互的影响叠加后求解加强圆筒 (3)筒和环的径向厚度相对其内直径均较小, 中的应力。本文的解法则是将加强环和圆筒都视作 一般是内直径与径向厚度之比大于10; 连在一起的短圆筒,然后用薄壳力矩理论微分方程 (4)加强圆筒很长。 的解析解求解加强圆筒中的应力。 1.2力学模型 1 假设条件和力学模型 加强圆筒要关注的是圆筒中的应力。为此,将 总体结构不连续处切开,建立图2所示的力学模型。 图1是加强圆筒的结构示意图。加强环和圆筒 设加强圆筒两端是封闭的。模型由2N+1个元件 可以是整体的,也可以是加强环用其他方法附加在 组成,其中筒节Ⅳ+1个,环J7v个。首尾的筒节要足 圆筒的外表面上。 1.1 假设条件 收稿日期:2oo5—11—1l (1)加强圆筒承受均匀的内压和/或外压; 作者简介:洪定楚(1938一),男,教授级高工。从事化工设备的 (2)加强圆筒具有轴对称形状,且筒和环分别 审定。 维普资讯 http://www.cqvip.com
-12- 化工设备与管道 2006年第2期 够长,以保证边界条件的准确。筒、环切开后,联系 力未示出。并约定,图示的Q和M的方向为正;半 简、环问关系的分别是径向边缘剪力Q和轴向边缘 径增加的径向位移 为正;截面反时针方向旋转的 弯矩M,它们就是要求解的未知内力。已知的轴向 转角0为正。 __—— 。。一 __一 -_● _—- 。___ 2 4 Ⅳ 圭暑 高 __一 _一 ●一 ___ ___ _—_ 1 f 1 r I I_ 『 1 1 f 1 f1 1 +1 11 十 }’ 图2力学模型 2圆筒中应力的解析解 0rp 0 2.1 边缘力系求解 在环的左右两端R 。处作用有一对大小相等方 如图2所示,加强圆筒共有2N个总体结构不 向相反的轴向膜力(P 一P。)R /2,此力相对于环的 连续处。每个总体结构不连续均有一对边缘载 中径R 处将产生一对大小相等方向相反的力矩。 荷—— 边缘剪力Q和边缘弯矩 ,共计2N对边缘 可以证明(略),此力矩对环端面产生的径向位移为 载荷,即4N个欲求解的未知量。每个不连续处按 零,转角近似为零。 筒和环的径向位移和转角应相等的变形协调条件可 筒或环在边缘载荷作用下产生的边缘径向位移 列出两个变形协调方程,故2N个总体结构不连续 和转角用筒壳力矩理论齐次方程解析解的公式计 处共计可列出4N个方程,于是4N个未知量Q.、 算 ]。这里直接采用[4,ARTLCLE 4-2]中的公式。 Ml、Q2、M2、……Q2N、M2N即可解得。 筒l的右端在边缘剪力Q 和边缘弯矩肘 作 为此,首先需求出每个筒和环在不连续处由已 用下的径向位移和转角分别为 知内外压和边缘载荷引起的各自的径向位移和 =(B /2卢 D )Q。+(日 2/2卢2 D。)M 转角。 =(B:2/ D )Ql+(B ̄2/2,8 D。)M1 每个筒节在已知内外压作用下在R 处的径向 令(未带l,s,r上标) 位移 H3:(B11/2flD),H2=(Bl2/2 ̄i)),Hl=(B22I 1一 R 尸i—R: P。 . 2flD), Wcp 丁] c+ 玛=(GII/2/3 D),K2=(GI2/2/3 D),Kl=(G22/ l+ R2 。2 (pi—P2flD), 。) E( : 一R )R 。 一 E R2o 。 R2 则前两式可简化为 横截面的转角 = Ql+ Ml 0 。=O oy ̄l= Ql+HIMl 每个环在已知内外压作用下在R 处的径向 环2左端在边缘力系Q 、M。、Q 、M 作用下的 位移 径向位移和转角分别为 R)cp: 孥警 +可 me+ z2=一(日 /2t ̄D,)Q +(日 2/ ;D )M 一 (Gi /2lf ̄D )+(Gi / D )M =(B z/2 ;D )Q 一(日 2 D ) 。+(G :/ E (尺:,一R )R E “ 2 D )Q2一(G; / D )M 横截面的转角 同前,上两式可简化为 维普资讯 http://www.cqvip.com
第43卷 洪定楚.加强环加强的受压长圆筒(管道)应力的解析算法 ・13. =一 ql+ = l一 q2+ + q:一 同理可继续列出筒3和环4、环4和筒5、…… q 一 环Ⅳ和筒Ⅳ+l、……连接处的变形协调方程(略)。 最后,列出环2N和筒2N+1连接处的变形协 调方程 从图2的左端开始。首先列出筒1和环2连接 处的变形协调方程。根据筒1和环2连接处的径向 位移和转角应相等,可列出连接处的变形协调方程, 并经整理后,得 q2Ⅳ一】一 MzⅣ一】+(i-1'3+爿 )q2Ⅳ+ ( + ) 』v=W叩一W (2N一1) 醚 (H + )ql+( + ) 1+K3q2一 Ml q 一K f 一( + )q 一 一 ;Wrp—W p (1) ( +研)M2 =0 (2N) ( + )q1+(H:+ ) l一 q2+ Mz=0 为进一步简化,再令 (2) 以=( + ), =( + ),JI-(H:+ ),0 同理可列出环2和筒3连接处的变形协调方程 =( + ), =( + ),Js-( +研), ql一 。一(职+ )q +( + ) + WP:Wrp—W cp f 2 l q3+ M3=Wrp—W (3) 于是,上述2N个方程中的系数和常数项得以 ..q 一K ,一(磁+日;)Q 一(H +H ) 一简化,2N元线性方程组可表示为 . . q,一 M,=0 (4) 婿 0 0 O;0 当加强圆筒的材料、几何尺寸和外载都已知时, 得的数据如表1。 上述2N元线性方程组即可求解。 从计算结果(表1)看,q都是负值,说明q的实 例:有一如图2所示的加强圆筒,L = 际方向与图2所示方向相反。由于筒受内压时向外 1000ram,L =60。5mm,L =4.5mm,Ri =650mm, 的径向位移受到环的约束,筒边缘处的q指向筒心 R。 =654。5mm,R。 =700mm,Pi=1.3MPa,P。=0, 是符合实际的。 均为正值,说明 的实际方向与 设计温度100 cIc,材料为316, =0。3,E= 图2所示方向相同,表明环欲阻止筒边缘处由q引 191000MPa。。设置14个环进行计算,共解得28 起的旋转。从数据还可看出,q 和 是筒15左边 个边缘剪力q和28个边缘弯矩 。由于本算法 缘处的边缘力和力矩,q, 和 是筒15右边缘处的 已编程,输入已知数据后,解题时间小于1秒。解 边缘力和力矩 其值对应相等,且其前后的q、M值 p 一 0 O,砖 一 一 琏 维普资讯 http://www.cqvip.com
・14・ 化工设备与管道 2006年第2期 也一一对应相等,这与筒15居总中,而其两侧的筒 和环对称分布且外载对称相一致。 表1计算结果 边缘剪力O/N 边缘弯矩114/(N・mm) Ql 一15。969458 Ml 266.083773 Q2 —17.028932 263.403465 一14.088636 M3 158.408307 ()4 —15.701639 M4 154.807744 ()5 —15.355234 149.272161 ()6 —15.225881 眠 149.571318 ()7 —15.343269 M7 153.363334 一15.297555 153.464768 Q9 —15.302130 153.425776 Ql0 —15.309077 l0 153.409961 Q11 —15.3o4936 Ml】 153.287072 Ql2 —15.306028 Ml2 153.284671 Ql3 —15.306131 M13 153.293641 Q14 —15.305856 M14 153.294264 Ql5 —15.305856 Ml5 153.294264 QI6 —15.3o6131 Ml6 153.293641 QI7 —15.306028 M17 153.284671 Q 一15.304936 M18 153.287072 Ql9 —15.309o77 Ml9 153.409961 02o 一15.30213o M20 153.425776 Q2I 一15.297555 M2l 153.464768 Q22 —15.343269 M丑 153 363334 Q23 —15.225881 M23 149。571318 Q24 —15。355234 M 149.272161 Q25 —15.701639 M25 154.807744 Q26 —14.088636 M26 158.408307 Q27 —17.028932 M27 263.403465 Q28 —15.969458 M28 266.083773 当图2所示加强圆筒左右两端筒节具有其它形式的 已知边界条件时,用本法仍能容易地求解p、M。 2.2应力计算 由于环比筒厚得多,故应关注的是筒节中的 应力。 筒节左右两端的边缘载荷解得后,任意筒节(Ⅳ +1)(注:筒节数始终是奇数)中离左端任何轴向距 离 处由边缘载荷引起的应力按以下公式进行 计算_4]: N1¨( )=±6M(x)/t: ( )=Ew(x)/E ±6vg(x)/t: 平均剪应力 t ¨( )=Q( )/t 其中 w(x)=(QeⅣ/ 3。D )F( 。 )+( je/ 2v。D )Fl2 (卢 )+( /卢 )F (卢 )+们 F ( ) M( )=(Q )F ( 。 )+M F ( 。 )一 2卢:D [( )F (卢。 )一 F (卢。 )] O(X)=Q (卢 )一2 。F (卢 )一2卢:D。 [( /p )F 2(卢 )一2wNF 3(卢 )] = Q + + Q + + Q +。 =一月 Q 一H. 一 Q + 一K + 简体中由了内外压引起的总体膜应力,按简壳 无力矩理论公式计算,即: (P1-p。)|R 。 O'lm — 一 (P.-p。)|R 对于很长的加强圆筒,其居中的筒节的应力具 有代表性。由于边缘效应的衰减特性,在计算居中 筒节的应力时,并不需要取很长(很多筒节和环)一 段来计算。边缘力系在筒壳中引起的应力和变形沿 轴向衰减很快,距边缘的距离大于等于3/ ̄时 J, 其影响已可忽略不记。当 等于0.3时,3 约等 于2.334 ,即,如果在算居中筒节的两侧各距 5.0 的距离内确定环的数量,由此算出的居中 筒节中的应力就足够准确地代表了加强圆筒中筒节 的应力。 仍以前例为例 2[5.0√ 尺 。£ /(L:+L )]+2=2[5.O 、僵 丽(6o.5+4.5)]+2=l0.3 故取12个环进行计算就足够了。从前例取14 个环的计算结果看,可以证明这一点。 现仍用前例解得的边缘载荷计算居中筒节筒 15中的应力。此时,Ⅳ等于l4, t。=R 一。R =4.5ram R 。=Rj +0.5t :652.25ram L 60 5ram Ql4=Ql5=一15.305856 N 维普资讯 http://www.cqvip.com
第43卷 洪定楚.加强环加强的受压长圆筒(管道)应力的解析算法 ・15・ M14 Ql5=l53.294264 N‘mm/mm 0——筒、环截面的转角,rad; 由于筒I5左右两端的边缘载荷相等,故 =0 ——距筒节左端的轴向距离,mill; 的左端和 =30.25的中间截面处的应力具有代表 or ——轴向(经向)应力,MPa; 性,而 =60.5右端截面处的应力将与左端的相等。 ro,——周向应力,MPa; 将例中的已知数据代入本节的应力计算公式后,可 c——下标或上标,表示“圆筒”; 得筒15中 =0的左端和 =30.25的中间截面处 r——下标或上标,表示“环”; ——下标或上标,表示“短筒”; 的应力分别为: f——下标或上标,表示“长筒”; orl(0) ±雏42MPa l(30.25)=-7-22.57MPa 。——下标或上标,表示筒或环的“左端”; 2(O)=-75.05+-.13.63MPa 0I2( 25)=一71.84T-6.77MPa Y——下标或上标,表示筒或环的“右端”; 。(O)=-3.4MPa ,(30.25)=4.42 x10一 MPa /3=[3(1一v。)/R t ] ,l/ram; l =94.21MPa D=Et /12(1一v ),N・mm =188.43MPa 影响函数 : 3结语 Bll=(sinh2lfL—sin2,St)/2(sinh:/3L—sin ); 在实际应用中用本法算过十多个加强圆筒,将 B12=(cosh2/3L—cos2/3L)/2(sinh 肚一sin ); 其结果与有限元法的计算结果进行了相互验证,结 B22=(sinh2/3L+sinZ )/(sinh2lfL—sin 肚); 果十分一致。 Gl1=一(coshBLsin/3L—sinhl3Lcos ̄L)/(sinh 一sin ̄/3L); 符号说明 G12=一2sinh/iLsin/3L/(sinh 肚一sin 肚); t——筒、环厚度,mill; Gz2:一(cosb43Lsin/3L+sinh/3LcoslfL)/(sinh ̄lfL—sin2lfL); L——筒、环长度,mill; Fl1( )=(cosh ̄sinlfx—sinb43xcoslfx)/2; R ——外半径,mm; Fl2( )=sinhlfxsinflx; R;——内半径,mm: Fl3( ):(cosh/3xsingx+sinh ̄cos/3x)/2; R ——平均半径,mm; 4( )=c0s}恤co 。 E——弹性模量,MPa; ——泊松比; 参考文献 P。——内压,MPa; 1 3 B康托罗维奇.化工机械及器械计算原理[M].北京:机械工 P。——外压,MPa; 业出版社,1954 ——单位圆周长度上的轴向弯矩,N・mm/mm; 2 S铁摩辛柯.材料力学[M].北京:科学出版社,1964 Q——单位圆周长度上的径向剪力,N/mm; 3 JB 4732—95钢制压力容器——分析设计标准[S] W——简、环截面的径向位,mm; 4 ASMEⅧ-2[S].2001 HG/T 21514~21535—2005((钢制人孔和手孔》及其施工图开始发行 由全国化丁设备设计技术中心站组织编制的《钢制人孔和手孔》 4.增加了09MnNiD低温钢材料制人孔和手孔系列。 HG/-l、21514—21535--2005已经出版,该标准白2006年1月1 13起 5.增加了紧固螺栓(柱)的种类。相应在人孔和手孔标记中增 正式实施,代替HG21514 21535 1995。 加了紧固螺栓(柱)代号项。 该标准是对HG21514—21535--1995《碳素钢、低合金钢制人孔 6.取消了公称直径为400mm的垂直吊盖和水平吊盖人孔系列。 和手孔》的修订。与HG21514—21535--1995相比,主要改动如下: 7.取消了凹凸密封面的回转拱盖快开人孔系列。 1.将所有引用的过时标准全部更新为最新版本。 8.取消了全部公称压力2.5MPa和4.0MPa的环连接密封面人 2.增加了全不锈钢材料制人孔和手孔系列。由此,本标准名称 孔和手孔系列。 修改为《钢制人孔和手孔》。 全国化工设备设计技术中心站负责销售HG/T 21514—21535—2005 3.在全部不快开的回转盖、垂直吊盖和水平吊盖人孔的凹凸密 《钢制人孔和手孔》标准并独家发行与之相配套的《钢制人孔和手孔》施 封面型式中,增加了公称直径为600ram的人孔系列。 工圄图纸。欢迎广大用户选购。(电话/传真:21-62488580)
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