安全气囊压力发生器结构设计——毕业设计说明书(编辑修改稿)

安全气囊压力发生器结构设计——毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

，或采取相应的限制措施。 JB 4732—— 1995《钢制压力容器 —— 分析设计标准》提供了以塑性失效准则为基础的设计方法。 GB 150 对平板、对整体法兰（包括按整体法兰设计的任意式法兰）连接的圆筒（或接管）颈部等原件的设计或应力计算公式，都是按塑性失效原理制定的。 ③ 弹塑性失效准则。 弹塑性失效准则适用于反复加载过程。 按照应力分类的概念，当容器边缘地区出现一定量的局部塑性变形时，即为容器承载的极限状态。 它考虑到由于边缘应力产生过大的 塑性变形时，将会加速疲劳破坏 或造成脆性断裂。 由于这一失效准则，允许结构有局部的塑性变形存在，且由于应力在结构各处的分布不均匀，局部塑性区为广大弹性区所包围，故称之为弹塑性失效准则。 弹塑性失效准则也不适用于脆性材料。 JB 4732—— 1995《钢制压力容器 —— 分析设计标准》提供了以弹塑性失效准则为基础的设计方法。 GB 150 对内压锥形和封头和圆筒的连接、无折边球形封头对圆筒的连接等件的设计公式和图表，都是按弹塑性变形失效原理制定的。 ④ 疲劳失效准则。 该准则认为，容器在交变载荷作用下，当 最大交变应力（在 循中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 13 页 共 39 页 环次数一定时）或循环次数（在最大交变应力一定时）达到疲劳设计曲线的规定值时，即为容器承载的极限状态。 当设计规定要求考虑容器的疲劳问题时，除对容器进行强度计算外，还需进行疲劳设计，即进行容器寿命计算。 “按分析设计”的容器设计规范包括疲劳设计方法。 由于疲劳设计涉及弹塑性失效准则，所以将疲劳设计列入分析设计体系，应当采用 JB/T 4732—— 1995《钢制压力容器 —— 分析设计标准》标准，它在选材、设计、结构、制造、检验等方面都严于按规定设计的 GB 150 标准。 应力循环次数超过 105 为高周疲劳， 102~105 为低周疲劳。 JB/T 4732—— 1995 规定对于常温抗拉强度 ζb≤ 550MPa 的钢材，疲劳循环次数小于 1000 次可免做疲劳分析。 对于承受疲劳载荷的压力容器而言，通常要求采用正火钢板且对钢板逐张进行超声波检测Ⅲ级合格，大多都要求对焊接接头进行百分之百无损检测并对设备进行焊后消除应力热处理。 采用下述措施可提高其可靠性：对焊接接头余高打磨至与母材平齐；角焊缝的内外尖角倒圆；适当提高壳体厚度以降低一次应力水平（提高设计压力是从另一方面体现了这一目的，压力波动不超过 设计压力 20%时可以考虑免除按疲劳设计）；通过结 构受力分析尽可能使“该薄的薄，该厚的厚”。 ⑤ 断裂失效准则。 是按照断裂力学概念，以造成容器低应力脆断时的应力或裂纹尺寸作为临界状态的一种计算准则。 这种临界状态和相应的断裂失效准则有临界应力强度因子及 K 准则， 临界裂纹张开位移及 COD 准则，临界 J 积 分准则。 断裂失效准则一般应用于带有超标缺陷的在役压力容器的评定，以判定该容器是否可以继续使用（有条件下的监督使用）或报废。 我国 在 1984 年公布的《压力容器缺陷评定规范》（ CVDA—— 1984）后续又有 GB/T 19624《在用含缺陷压力容器安全评定》， 以 COD 准则 为主；工程中准对应力腐蚀的研究方法和相应技术措施常以 KIC为主；准备编制的超高压容器标准中的材料技术指标也是按 KIC为判断指标。 直接应用断裂失效准则受到限制，但是其基本思想是被广泛采用的，例如规则设计中对高强度材料制造的压力容器给予特殊的关注；开孔补强结构中限制过厚的补强圈被使用；低温压力容器的特殊设计问题；碳钢和低合金钢 制压力容器水压试验时的最低水温限制等都是断裂力学思想在压力容器中的具体体现和应用。 ⑥ 蠕变失效准则。 这是容器处在高温工作下的一种设计准则。 容器在高温和一定中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 14 页 共 39 页 应力的长期作用下，塑性变形将不 断积累。 当其蠕变速率（或等效蠕变应力）达到一定值时，即为容器承载的极限状态。 按照蠕变失效准则进行设计时，应将容器 的蠕变值（或按蠕变方程算得的相当应力）限制在某一许用范围。 但规则设计对高温容器的设计仅在某一定的高温下选用合适的高温用材料，并按蠕变极限和持久强度来确定其许用应力，以便对蠕变值进行控制。 一般认为，当温度高于金属材料的 ~(或以绝对温度表示的熔点 )时，需要考虑蠕变问题。 当碳素钢的温度超过 300~350oC、低合金钢超过 400 oC、低合金铬钼刚超过 450 oC、奥氏体不锈钢超过 550 oC 的情况下，考虑蠕变问题。 高温条件下钢材许用应力“ [ζ]t”的确定是蠕变理论在规则设计中的具体应用。 ⑦ 腐蚀失效。 化工压力容器的腐蚀失效是指与介质接触的器壁收到腐蚀性介质的侵蚀而产生破坏，它可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类。 对腐蚀失效的控制 实质上就是根据介质特性正确地选用合适的材料及合适的防腐蚀措施。 在通常情况下，均匀腐蚀的限制条件，实际上就是弹性失效准则的限制条件，即在按照最大主应力计算出壳体厚度的基础上增加腐蚀余量；对于局部腐蚀，它不仅与容器的用材有关，而且与介质及其使用温度、压力、应力水 平等有关，因此，局部腐蚀失效至今尚无统一的限制条件。 （ 3） 设计标准 GB 150—— 1998《钢制压力容器》中采用的是弹性失效准则。 具体的解题方法：用平面力系解法，按弹性失效准则来判断容器的强度。 对于因压力引起的不同应力状态（拉、弯、扭、剪及其组合），均采用相同的许用应力值，用调整计算公式中有关系数的方法体现其差别，如封头、平盖、密封结构等的计算。 具体说，对于容器中存在的一次局部薄膜应力、弯曲应力、二次应力以及他们的组合，采用极限分析和安定性分析准则将这些应力控制在与使用经验相吻合的安全水平。 在标准中 ，通过限制元件结构的某些相关尺寸、采用应力增大系数、考虑形状系数等公式将这些局部应力控制 在许用范围内 [7]。 所以在确定技术方案时，特别要注意标准中相关内容的“前提条件”、“边界条件”。 压力容器设计有两种方法，即规则设计法和 分析设计法。 前者是基于经验方法的设计，其典型过程是确定设计载荷，选用设计公式、曲线和表格，并对所用材料取一个安中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 15 页 共 39 页 全应力，最终给出容器的基本厚度，然后根据规范允许的构造细则及 有关设计规则进行制造。 GB 150—— 1998《钢制压力容器》为规则设计，按弹性失效准则应用解析方法进行应力计算，从 而简化了设计计算，与 JB 4732—— 1995《钢制压力容器 —— 分析设计标准》相比具有计算简单、使用方便等特点，故得到了广泛应用。 在 GB 150—— 1998《钢制压力容器》与 JB 4732—— 1995《钢制压力容器 —— 分析设计标准》两个标准的相互覆盖适用范围内，可按经济效益对比和应用配合考虑任选其一。 JB/T 4735《钢制焊接常压容器》与 GB 150《钢制压力容器》一样都属于规则设计标准。 JB 4732《钢制压力容器 —— 分析设计标准》的基本思路与 ASME Ⅷ — 2 相同。 GB 150、 JB 4732 和 JB/T 4735 的适用范围和主要区别见表 2[9]。 表 2 GB 150、 JB 4732 和 JB/T 4735 的适用范围和主要区别 项目 GB 150 JB 4732 JB/T 4735 设计压力 ≤ P≤ 35MPa，真 空度不低于 ≤ P＜ 100MPa， 真 空度不低于 － ＜ P＜ MPa 设计温度 按钢材允许的使用温度 确定（最高为 700 oC，最 低 为－ 196 oC） 低于以钢材蠕变控制其 设计应力强度的相应温 度（最高 475oC） － 20oC（大于） ~350 oC（奥氏体高合金刚 制容器和设计温度低 于－ 20oC，但满足低 温低应力工况，且调 整后的设计温度高于 － 20oC 的容器不受此 限制） 对介质的限制 不限 不限 不适用盛装高度毒性 或极度危害介质的容 器 设计准则 弹性失效设计准则和失 稳失效设计准则 塑性失效设计准则、失 稳失效设计准则和疲劳 失效设计准则，局部应力 用极限分析和安定性分 弹性失效设计准则和 失稳失效设计准则 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 16 页 共 39 页 析结果来评定 项目 GB 150 JB 4732 JB/T 4735 应力分析方法 以材料 力学、板壳理论公 式为基础，并引入应力增 大系数和形状系数 弹性有限元法；塑性分析 ；弹性理论和板壳理论公 式，试验应力分析 以材料力学、板壳理 论公式为基础，并引 入应力增大系数和形 状系数 强度理论 最大主应力理论 最大切应力理论 最大主应力理论 是否适用于 疲劳分析容 器 不适用 适用，但有免除条件 不适用 在我国压力容器标准体系中， GB 150《钢制压力容器》是最基本的、应用最广泛的标准，其技术内容与 ASMEⅧ JIS B 8270（除第 1 种容器除外）等先进工业化国家的压力容器标准大致相当 ，但在适用范围、许用应力和一些技术指标上有 所不同。 下面以 ASME 标准为例进行比较。 ① 标准的适用范围。 中国 GB 150 与 ASME 标准在适用范围上的主要差别为压力限定和容器用材的限制。 中国标准的压力限定有明确的数值，所适用的材料 仅为刚才；ASME 则只给出一般限定，在满足特定的要求后，可以突破压力限制，并且除钢材外，也规定了有色金属、镍基合金、铸钢等材料的应用范围、许用应力和制造检验要求等。 表 3 给出了两国标准中的压力限定值。 表 3 中、美两国压力容器标准中压力限定值比较（ MPa） 中国压力容器标准 ASME 标 准 标准名称 压力限定 标准名称 推荐压力范围 GB 150《钢制压力容器》 ≤ 35 ASMEⅧ 1 ≤ 20 JB 4732《钢制压力容器 —— 分析设计标准》 ＜ 100 ASMEⅧ 2 ≤ 70 ASMEⅧ 3 ﹥ 70 ② 安全系数。 许用应力是压力容器标准中的基本参数，由材料的力学性能除以相应的材料设计系数来确定。 GB 150 中确定钢材许用应力时，低碳钢和低合金钢的屈服强度及抗拉强度的安全系数分别为 与 ， 与此相对应， ASMEⅧ 1 中的数值为 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 17 页 共 39 页 与。 压力容器 壳体形状选择 圆筒形壳体应力分布比较均匀，承载能力高，较球形壳体容易制造，也便于内件的设置和拆卸，并且药包在载物台上放置的部位要使爆炸时壳体内壁各处受到的冲量尽可能相等或对称，所以在这种情况下，根据我们的实际需要，本毕业设计选择圆筒形壳体。 第 三 章 压力容器基本参数设计 压力容器壳体材料的选择 材料 是构成各种设备的物质基础，在压力容器设计中，能够与强度计算和结构设计并重唯有材料及其影响因素材料及其影响因素是设计中的难点。 压力容器生产的多样性和设备的功能性，给选材带来了一定的复杂性，材料科学所具有半科学、半经验性质给选材更增加了难度。 （ 1） 选材原则 压力容器用材的主要选择依据：容器的适用条件，如温度、压力、介质、操作特点和结构特点；材料力学性能；材料的耐腐蚀性能，包括选材、防腐蚀结构、防腐蚀衬里、腐蚀裕量、 条件控制等；材料的加工性能，如可焊性、冷热加工成型性等；材料的价格及来源；同一工程设计中用材要 统一。 针对目前压力容器的现状还应当注意，要尽量优先选用压力容器规范推荐的材料及国内材料标准中已有的材料，并且尽量采用国产材料。 从性能方面考虑，下述原则可供参考：以刚度或结构设计为主的设备，受压容器应选用普通碳素钢，以强度设计为主的设备，应根据设计压力、设计温度、介质性质等使用限制，依次 选用 Q235— 、 Q235— A、 Q235— B、 Q235— C、 20R、 16MnR 等钢板；以强度设计为主的普通碳素钢压力容器，当板厚大于 或等于 8mm 时，可选用 16MnR等普通低合金钢；铬钼低合金钢可作为设计温度 350~550oC 的压力容器耐热钢或大于250oC 的高温高压抗氢用钢；不锈钢用于介质腐蚀性较强、防铁离子污染或设计温度大于 500oC 的耐热用钢 （ 2） 材料问题的讨论 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 18 页 共 39 页 为能选择合适的材料制造压力容器，保证压力容器安全正常地进行工作，必须首先了解材料的基本性能 [10]。 金属材料在一定的温度和外力作用下，所表现出抵抗某种变形或破坏的能力 称为材料的力学性能。 下面首先简单介绍下一般的力学性能。 屈服强度 ζs 表现材料发生塑性变形的最小应力，反映材料抗微量塑性变形的能力。 抗拉强度 ζb表现材料在拉断前所能承受的最大应力值，它表示材料 抵抗断裂的能力。 伸长率 ζ 是指试样拉断后的伸长量与原长度之比，表现材料被拉伸的程度。 断面收缩率 248。 指试样拉断后的断面与原截面之比，表现材料被拉细的程度。 冲击韧性是指材料在受到外加冲击载荷的作用下，断裂时消耗的功除以试样缺口断面面积而得到的商值。 断裂韧性 KIC为第一类裂纹尖端应力强度因子的临界值，又称为平。