安全氣囊壓力發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計——畢業(yè)設(shè)計說明書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ，或采取相應(yīng)的限制措施。 JB 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標準》提供了以塑性失效準則為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。 GB 150 對平板、對整體法蘭（包括按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭）連接的圓筒（或接管）頸部等原件的設(shè)計或應(yīng)力計算公式，都是按塑性失效原理制定的。 ③ 彈塑性失效準則 。彈塑性失效準則適用于反復(fù)加載過程。按照應(yīng)力分類的概念，當容器邊緣地區(qū)出現(xiàn)一定量的局部塑性變形時，即為容器承載的極限狀態(tài)。它考慮到由于邊緣應(yīng)力產(chǎn)生過大的 塑性變形時，將會加速疲勞破壞 或造成脆性斷裂。由于這一失效準則，允許結(jié)構(gòu)有局部的塑性變形存在，且由于應(yīng)力在結(jié)構(gòu)各處的分布不均勻，局部塑性區(qū)為廣大彈性區(qū)所包圍，故稱之為彈塑性失效準則。 彈塑性失效準則也不適用于脆性材料。 JB 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標準》提供了以彈塑性失效準則為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。 GB 150 對內(nèi)壓錐形和封頭和圓筒的連接、無折邊球形封頭對圓筒的連接等件的設(shè)計公式和圖表，都是按彈塑性變形失效原理制定的。 ④ 疲勞失效準則 。該準則認為，容器在交變載荷作用下，當 最大交變應(yīng)力（在 循中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 共 39 頁 環(huán)次數(shù)一定時）或循環(huán)次數(shù)（在最大交變應(yīng)力一定時）達到疲勞設(shè)計曲線的規(guī)定值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。當設(shè)計規(guī)定要求考慮容器的疲勞問題時，除對容器進行強度計算外，還需進行疲勞設(shè)計，即進行容器壽命計算。 “按分析設(shè)計”的容器設(shè)計規(guī)范包括疲勞設(shè)計方法。由于疲勞設(shè)計涉及彈塑性失效準則，所以將疲勞設(shè)計列入分析設(shè)計體系，應(yīng)當采用 JB/T 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標準》標準，它在選材、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、制造、檢驗等方面都嚴于按規(guī)定設(shè)計的 GB 150 標準。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過 105 為高周疲勞， 102~105 為低周疲勞。 JB/T 4732—— 1995 規(guī)定對于常溫抗拉強度 ζb≤ 550MPa 的鋼材，疲勞循環(huán)次數(shù)小于 1000 次可免做疲勞分析。 對于承受疲勞載荷的壓力容器而言，通常要求采用正火鋼板且對鋼板逐張進行超聲波檢測Ⅲ級合格，大多都要求對焊接接頭進行百分之百無損檢測并對設(shè)備進行焊后消除應(yīng)力熱處理。采用下述措施可提高其可靠性：對焊接接頭余高打磨至與母材平齊；角焊縫的內(nèi)外尖角倒圓；適當提高殼體厚度以降低一次應(yīng)力水平（提高設(shè)計壓力是從另一方面體現(xiàn)了這一目的，壓力波動不超過 設(shè)計壓力 20%時可以考慮免除按疲勞設(shè)計）；通過結(jié) 構(gòu)受力分析盡可能使“該薄的薄，該厚的厚”。 ⑤ 斷裂失效準則 。 是按照斷裂力學概念，以造成容器低應(yīng)力脆斷時的應(yīng)力或裂紋尺寸作為臨界狀態(tài)的一種計算準則。這種臨界狀態(tài)和相應(yīng)的斷裂失效準則有臨界應(yīng)力強度因子及 K 準則， 臨界裂紋張開位移及 COD 準則，臨界 J 積 分準則。斷裂失效準則一般應(yīng)用于帶有超標缺陷的在役壓力容器的評定，以判定該容器是否可以繼續(xù)使用（有條件下的監(jiān)督使用）或報廢。 我國 在 1984 年公布的《壓力容器缺陷評定規(guī)范》（ CVDA—— 1984）后續(xù)又有 GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》， 以 COD 準則 為主；工程中準對應(yīng)力腐蝕的研究方法和相應(yīng)技術(shù)措施常以 KIC為主；準備編制的超高壓容器標準中的材料技術(shù)指標也是按 KIC為判斷指標。 直接應(yīng)用斷裂失效準則受到限制，但是其基本思想是被廣泛采用的，例如規(guī)則設(shè)計中對高強度材料制造的壓力容器給予特殊的關(guān)注；開孔補強結(jié)構(gòu)中限制過厚的補強圈被使用；低溫壓力容器的特殊設(shè)計問題；碳鋼和低合金鋼 制壓力容器水壓試驗時的最低水溫限制等都是斷裂力學思想在壓力容器中的具體體現(xiàn)和應(yīng)用。 ⑥ 蠕變失效準則 。 這是容器處在高溫工作下的一種設(shè)計準則。容器在高溫和一定中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁 共 39 頁 應(yīng)力的長期作用下，塑性變形將不 斷積累。當其蠕變速率（或等效蠕變應(yīng)力）達到一定值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。 按照蠕變失效準則進行設(shè)計時，應(yīng)將容器 的蠕變值（或按蠕變方程算得的相當應(yīng)力）限制在某一許用范圍。但規(guī)則設(shè)計對高溫容器的設(shè)計僅在某一定的高溫下選用合適的高溫用材料，并按蠕變極限和持久強度來確定其許用應(yīng)力，以便對蠕變值進行控制。 一般認為，當溫度高于金屬材料的 ~(或以絕對溫度表示的熔點 )時，需要考慮蠕變問題。當碳素鋼的溫度超過 300~350oC、低合金鋼超過 400 oC、低合金鉻鉬剛超過 450 oC、奧氏體不銹鋼超過 550 oC 的情況下，考慮蠕變問題。高溫條件下鋼材許用應(yīng)力“ [ζ]t”的確定是蠕變理論在規(guī)則設(shè)計中的具體應(yīng)用。 ⑦ 腐蝕失效 。化工壓力容器的腐蝕失效是指與介質(zhì)接觸的器壁收到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕而產(chǎn)生破壞，它可以分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩大類。對腐蝕失效的控制 實質(zhì)上就是根據(jù)介質(zhì)特性正確地選用合適的材料及合適的防腐蝕措施。 在通常情況下，均勻腐蝕的限制條件，實際上就是彈性失效準則的限制條件，即在按照最大主應(yīng)力計算出殼體厚度的基礎(chǔ)上增加腐蝕余量；對于局部腐蝕，它不僅與容器的用材有關(guān)，而且與介質(zhì)及其使用溫度、壓力、應(yīng)力水 平等有關(guān)，因此，局部腐蝕失效至今尚無統(tǒng)一的限制條件。 （ 3） 設(shè)計標準 GB 150—— 1998《鋼制壓力容器》中采用的是彈性失效準則。具體的解題方法：用平面力系解法，按彈性失效準則來判斷容器的強度。對于因壓力引起的不同應(yīng)力狀態(tài)（拉、彎、扭、剪及其組合），均采用相同的許用應(yīng)力值，用調(diào)整計算公式中有關(guān)系數(shù)的方法體現(xiàn)其差別，如封頭、平蓋、密封結(jié)構(gòu)等的計算。 具體說，對于容器中存在的一次局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力以及他們的組合，采用極限分析和安定性分析準則將這些應(yīng)力控制在與使用經(jīng)驗相吻合的安全水平。在標準中 ，通過限制元件結(jié)構(gòu)的某些相關(guān)尺寸、采用應(yīng)力增大系數(shù)、考慮形狀系數(shù)等公式將這些局部應(yīng)力控制 在許用范圍內(nèi) [7]。所以在確定技術(shù)方案時，特別要注意標準中相關(guān)內(nèi)容的“前提條件”、“邊界條件”。 壓力容器設(shè)計有兩種方法，即規(guī)則設(shè)計法和 分析設(shè)計法。前者是基于經(jīng)驗方法的設(shè)計，其典型過程是確定設(shè)計載荷，選用設(shè)計公式、曲線和表格，并對所用材料取一個安中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 39 頁 全應(yīng)力，最終給出容器的基本厚度，然后根據(jù)規(guī)范允許的構(gòu)造細則及 有關(guān)設(shè)計規(guī)則進行制造。 GB 150—— 1998《鋼制壓力容器》為規(guī)則設(shè)計，按彈性失效準則應(yīng)用解析方法進行應(yīng)力計算，從 而簡化了設(shè)計計算，與 JB 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標準》相比具有計算簡單、使用方便等特點，故得到了廣泛應(yīng)用。在 GB 150—— 1998《鋼制壓力容器》與 JB 4732—— 1995《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標準》兩個標準的相互覆蓋適用范圍內(nèi)，可按經(jīng)濟效益對比和應(yīng)用配合考慮任選其一。 JB/T 4735《鋼制焊接常壓容器》與 GB 150《鋼制壓力容器》一樣都屬于規(guī)則設(shè)計標準。 JB 4732《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標準》的基本思路與 ASME Ⅷ — 2 相同。 GB 150、 JB 4732 和 JB/T 4735 的適用范圍和主要區(qū)別見表 2[9]。 表 2 GB 150、 JB 4732 和 JB/T 4735 的適用范圍和主要區(qū)別 項目 GB 150 JB 4732 JB/T 4735 設(shè)計壓力 ≤ P≤ 35MPa，真 空度不低于 ≤ P＜ 100MPa， 真 空度不低于 － ＜ P＜ MPa 設(shè)計溫度 按鋼材允許的使用溫度 確定（最高為 700 oC，最 低 為－ 196 oC） 低于以鋼材蠕變控制其 設(shè)計應(yīng)力強度的相應(yīng)溫 度（最高 475oC） － 20oC（大于） ~350 oC（奧氏體高合金剛 制容器和設(shè)計溫度低 于－ 20oC，但滿足低 溫低應(yīng)力工況，且調(diào) 整后的設(shè)計溫度高于 － 20oC 的容器不受此 限制） 對介質(zhì)的限制 不限 不限 不適用盛裝高度毒性 或極度危害介質(zhì)的容 器 設(shè)計準則 彈性失效設(shè)計準則和失 穩(wěn)失效設(shè)計準則 塑性失效設(shè)計準則、失 穩(wěn)失效設(shè)計準則和疲勞 失效設(shè)計準則，局部應(yīng)力 用極限分析和安定性分 彈性失效設(shè)計準則和 失穩(wěn)失效設(shè)計準則 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 39 頁 析結(jié)果來評定 項目 GB 150 JB 4732 JB/T 4735 應(yīng)力分析方法 以材料 力學、板殼理論公 式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增 大系數(shù)和形狀系數(shù) 彈性有限元法；塑性分析 ；彈性理論和板殼理論公 式，試驗應(yīng)力分析 以材料力學、板殼理 論公式為基礎(chǔ)，并引 入應(yīng)力增大系數(shù)和形 狀系數(shù) 強度理論 最大主應(yīng)力理論 最大切應(yīng)力理論 最大主應(yīng)力理論 是否適用于 疲勞分析容 器 不適用 適用，但有免除條件 不適用 在我國壓力容器標準體系中， GB 150《鋼制壓力容器》是最基本的、應(yīng)用最廣泛的標準，其技術(shù)內(nèi)容與 ASMEⅧ JIS B 8270（除第 1 種容器除外）等先進工業(yè)化國家的壓力容器標準大致相當 ，但在適用范圍、許用應(yīng)力和一些技術(shù)指標上有 所不同。下面以 ASME 標準為例進行比較。 ① 標準的適用范圍。中國 GB 150 與 ASME 標準在適用范圍上的主要差別為壓力限定和容器用材的限制。中國標準的壓力限定有明確的數(shù)值，所適用的材料 僅為剛才；ASME 則只給出一般限定，在滿足特定的要求后，可以突破壓力限制，并且除鋼材外，也規(guī)定了有色金屬、鎳基合金、鑄鋼等材料的應(yīng)用范圍、許用應(yīng)力和制造檢驗要求等。表 3 給出了兩國標準中的壓力限定值。 表 3 中、美兩國壓力容器標準中壓力限定值比較（ MPa） 中國壓力容器標準 ASME 標 準 標準名稱 壓力限定 標準名稱 推薦壓力范圍 GB 150《鋼制壓力容器》 ≤ 35 ASMEⅧ 1 ≤ 20 JB 4732《鋼制壓力容器 —— 分析設(shè)計標準》 ＜ 100 ASMEⅧ 2 ≤ 70 ASMEⅧ 3 ﹥ 70 ② 安全系數(shù)。許用應(yīng)力是壓力容器標準中的基本參數(shù)，由材料的力學性能除以相應(yīng)的材料設(shè)計系數(shù)來確定。 GB 150 中確定鋼材許用應(yīng)力時，低碳鋼和低合金鋼的屈服強度及抗拉強度的安全系數(shù)分別為 與 ， 與此相對應(yīng)， ASMEⅧ 1 中的數(shù)值為 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 39 頁 與 。 壓力容器 殼體形狀選擇 圓筒形殼體應(yīng)力分布比較均勻，承載能力高，較球形殼體容易制造，也便于內(nèi)件的設(shè)置和拆卸，并且藥包在載物臺上放置的部位要使爆炸時殼體內(nèi)壁各處受到的沖量盡可能相等或?qū)ΨQ，所以在這種情況下，根據(jù)我們的實際需要，本畢業(yè)設(shè)計選擇圓筒形殼體。 第 三 章 壓力容器基本參數(shù)設(shè)計 壓力容器殼體材料的選擇 材料 是構(gòu)成各種設(shè)備的物質(zhì)基礎(chǔ)，在壓力容器設(shè)計中，能夠與強度計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計并重唯有材料及其影響因素材料及其影響因素是設(shè)計中的難點。壓力容器生產(chǎn)的多樣性和設(shè)備的功能性，給選材帶來了一定的復(fù)雜性，材料科學所具有半科學、半經(jīng)驗性質(zhì)給選材更增加了難度。 （ 1） 選材原則 壓力容器用材的主要選擇依據(jù)：容器的適用條件，如溫度、壓力、介質(zhì)、操作特點和結(jié)構(gòu)特點；材料力學性能；材料的耐腐蝕性能，包括選材、防腐蝕結(jié)構(gòu)、防腐蝕襯里、腐蝕裕量、 條件控制等；材料的加工性能，如可焊性、冷熱加工成型性等；材料的價格及來源；同一工程設(shè)計中用材要 統(tǒng)一 。 針對目前壓力容器的現(xiàn)狀還應(yīng)當注意，要盡量優(yōu)先選用壓力容器規(guī)范推薦的材料及國內(nèi)材料標準中已有的材料，并且盡量采用國產(chǎn)材料。 從性能方面考慮，下述原則可供參考：以剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計為主的設(shè)備，受壓容器應(yīng)選用普通碳素鋼，以強度設(shè)計為主的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)性質(zhì)等使用限制，依次 選用 Q235— 、 Q235— A、 Q235— B、 Q235— C、 20R、 16MnR 等鋼板；以強度設(shè)計為主的普通碳素鋼壓力容器，當板厚大于 或等于 8mm 時，可選用 16MnR等普通低合金鋼；鉻鉬低合金鋼可作為設(shè)計溫度 350~550oC 的壓力容器耐熱鋼或大于250oC 的高溫高壓抗氫用鋼；不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性較強、防鐵離子污染或設(shè)計溫度大于 500oC 的耐熱用鋼 （ 2） 材料問題的討論 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 39 頁 為能選擇合適的材料制造壓力容器，保證壓力容器安全正常地進行工作，必須首先了解材料的基本性能 [10]。 金屬材料在一定的溫度和外力作用下，所表現(xiàn)出抵抗某種變形或破壞的能力 稱為材料的力學性能。下面首先簡單介紹下一般的力學性能。屈服強度 ζs 表現(xiàn)材料發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力，反映材料抗微量塑性變形的能力。抗拉強度 ζb表現(xiàn)材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值，它表示材料 抵抗斷裂的能力。伸長率 ζ 是指試樣拉斷后的伸長量與原長度之比，表現(xiàn)材料被拉伸的程度。斷面收縮率 248。指試樣拉斷后的斷面與原截面之比，表現(xiàn)材料被拉細的程度。沖擊韌性是指材料在受到外加沖擊載荷的作用下，斷裂時消耗的功除以試樣缺口斷面面積而得到的商值。斷裂韌性 KIC為第一類裂紋尖端應(yīng)力強度因子的臨界值，又稱為平