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前言

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书名:压力容器设计的力学基础及其标准应用

出版社:机械工业出版社

定价:28

条形码:9787111131915

ISBN:ISBN 7-111-13191-6

作者:李建国

印刷日期:2005-2-2

出版日期:2005-2-1

精装平装_开本_页数:平装16开,247页

前言

压力容器能否安全运行是至关重要的，在压力容器设计中强度分析与计算占有很大比重；而在分析与计算中又涉及到许多力学知识，如材料力学、弹性力学、塑性力学、板壳理论、实验应力分析以及有限元法等数值计算。如果让设计人员掌握这么多内容是不现实的。有的设计与审核人员曾提出：能否出一本与压力容器设计相关的力学书籍，把与压力容器设计有关的力学概念、解题方法及标准应用集中起来系统讲述一下，需要时拿来参考，不必再去从众多的力学书中翻阅查寻。笔者多年来从事压力容器的科研工作、标准编制及人员培训、考核工作，对设计人员在力学方面有哪些不足、需要了解什么、掌握什么有所了解。感到比较普遍存在的问题是力学概念不清楚，似懂非懂，例如：应力是指某点的还是某地区的?凸形封头怎么会在内压下发生失稳?应力为什么还要分类?静应力在疲劳分析时要不要考虑?……对标准中的设计公式也是不知来龙去脉及力学意义，有时发生不顾使用前提的盲目套用。也有的过多地依赖计算软件，对分析结果及出现的问题作不出确切的解释。本书就是从压力容器设计人员、审核人员及检测人员的实际需要出发，对设计中涉及到的力学基础知识、基本概念、分析方法以及标准应用结合示例作了深入浅出的论述，其中包括材料力学、弹性力学、塑性力学、板壳理论等相关内容，这些内容紧紧围绕压力容器设计这个主题，没有过多考虑力学本身的系统性与完备性。如果读者想进一步了解相关内容，本书也列出了参考文献供读者查阅。

力学与数学联系最为紧密，许多力学概念只有通过数学语言才能确切地表达出来，比如应力的概念。但许多设计人员对力学中的大量公式与符号有些望而生畏，不愿触及，停留在感性认识的层面上，对压力容器的许多力学现象和出现的某些问题喜欢采用直观直觉的自圆其说来分析，也不管在力学上有无依据，这是不科学的、也是不可靠的。实际上，容器中所涉及的数学问题对设计人员来说应没有原则上的困难，但本书在涉及到数学内容较多的问题时，如板壳问题的求解，尽量采取最简捷的方法给出结果或给出解决问题的方法与思路，把数学推演降到最低限度。笔者也不愿意让大量的数学推演冲淡了读者对概念的理解。

压力容器的设计观念不断变化与更新，分析设计已成为国际上压力容器设计的趋势，压力容器分析设计在国内外的使用越来越广泛。分析设计比常规设计涉及了更多的力学知识、更多的新概念，如：极限分析、棘轮现象、安定性、等效线性化处理等等，诸如此类的概念如果搞不清，使用起相应的标准就比较困难，甚至看不懂某些条文在说什么。本书系统地介绍了压力容器分析设计(包括疲劳设计)的基础知识。许多内容是笔者主编JB4732分析设计标准过程中的心得，也有的内容是对多年来在宣贯标准、培训与考核工作中大家所提次数较多问题的解释。因此，希望通过本书能对读者在使用分析设计标准时有所帮助。

为适应形势需要和提高从业人员的水平，我国对压力容器设计人员与审核人员的执业资格认证工作也进行了改革，无论是取常规设计或是分析设计人资格、审核人资格都要参加国家质量技术监督部门的统一考试。力学基础知识也是统考内容的一部分，因此，不掌握一定深度与广度的力学知识也是很难在统考中胜出的。本书每章后面都给出了思考题，用以帮助读者检验自己的力学知识掌握的程度，答案都在本书正文之中。

本书在论述过程中，举出许多示例，这些例子是作为说明概念和展示解决问题的方法所用，不能作为设计依据或替代标准中的相关内容。

限于时间和水平，不当之处敬希读者不吝指正。

作者

2003年7月北京

目录

前言

第1章 绪论1

1．1 变形固体与变形固体力学的基本假定1

1．2 外力与内力、截面法3

1．3应力的概念5

1．4位移与变形6

思考题8

第2章 拉伸与压缩9

2．1 轴力与截面上的应力9

2．2 本构关系与弹性模量、泊松比 10

2．3 圆形薄壁压力容器中的应力 11

2．4 变形位能与虚位移原理 11

2．4．1 变形位能11

2．4．2 虚位移原理12

2．5 静定与静不定的概念 14

2．6 材料的力学性质 16

2．6．1 应力--应变关系曲线16

2．6．2 断后伸长率与断面收缩率17

2．6．3 冷作硬化18

2．7 压力容器中的蠕变与应力松弛 18

2．8 许用应力法与极限载荷法 19

2．8．1 许用应力与安全系数19

2．8．2极限载荷设计法20

思考题 21

第3章 剪切与扭转22

3．1 剪切 22

3．1．1 基本概念22

3．1．2 铆接计算23

3．1．3 剪应力互等定理23

3．2 扭转及圆截面轴在扭转时的应力与变形 24

3．2．1 扭转的概念24

3．2．2 圆轴扭转时的应力与变形24

3．2．3 圆轴扭转时的强度与刚度26

3．2．4 示例27

思考题 28

第4章 弯曲29

4．1 弯曲时的内力与应力 29

4．1．1 梁的支座与反力29

4．1．2 弯矩与剪力30

4．1．3 弯矩、剪力与分布载荷集度间的关系31

4．1．4 弯曲时的正应力32

4．1．5 弯曲时的剪应力34

4．1．6强度条件34

4．2 弯曲时的变形 35

4．2．1 梁的挠曲线35

4．2．2 梁的挠度与转角36

4．3 弹性基础梁 5g

4．4 梁弯曲在容器设计中的应用 40

4．4．1 波形膨胀节40

4．4．2卧式容器42

4．5 叠加原理的应用 44

思考题 45

第5章 应力状态与强度理论46

5．1 一点的应力状态 46

5．1．1 应力状态的确定46

5．1．2 应力张量的分解与不变量49

5．2 主应力与应力强度 51

5．2．1 主应力与主方向51

5．2．2应力强度52

5．3 强度理论 53

5．3．1 强度理论的概念55

5．3．2 四个强度理论54

思考题 56

第6章 弹性力学与塑性力学基础58

6．1 弹性力学概论 58

6．1．1 极坐标下的平面问题59

6．1．2 弹性力学的基本方程与解法62

6．1．3 弹性力学在容器中的应用66

6．1．4 轴对称问题73

6．2 塑性力学基础 80

6．2．1 塑性力学的特点80

6．2．2 增量理论与全量理论81

6．2．3屈服条件83

6．2．4加载与卸载84

6．3 塑性失效准则的容器简体设计公式85

6．4 厚壁压力容器的自增强 88

6．5 极限分析原理及在压力容器中的应用 90

6．5．1 解决塑性问题的两种途径90

6．5．2 极限分析的基本假设与特点91

6．5．3 塑性铰92

6．5．4 求极限载荷的一般方法94

6．5．5 极限载荷的实验测定97

6．5．6 极限分析在压力容器设计中

的应用99

思考题101

第7章 板壳理论基础103

7．1 板和壳的特点与基本假定103

7．2 轴对称载荷下的圆平板104

7．2．1 平衡方程105

7．2．2 几何关系106

7．2．3 挠度与应力、弯矩的关系106

7．2．4 轴对称载荷下圆板的微分方程107

7．2．5 轴对称载荷下圆板的解107

7．3 压力容器可拆卸平封头的计算109

7．4 受轴对称载荷的环板111

7．5 旋转壳体的薄膜理论113

7．5．1 壳体与平板受力比较113

7．5．2 曲面的几何知识113

7．5．3 壳体中的内力114

7．5．4 无矩应力状态及其存在条件115

7．5．5 压力容器封头的薄膜应力118

7．5．6 球形容器的薄膜应力122

7．6 旋转壳的弯曲理论与边缘效应问题123

7．6．1 边缘效应的概念123

7．6．2 轴对称载荷下的圆柱壳的弯曲124

7．6．3 圆筒体与平封头连接时的边缘应力128

7．6．4 圆筒体与其他封头相连时的边缘应力132

7．6．5 球壳开孔接管问题133

思考题136

第8章 稳定性问题138

8．1 基本概念138

8．2 压杆的稳定性与临界载荷计算140

8．2．1 压杆的稳定性与欧拉公式140

8．2．2 出现塑性变形的情况141

8．2．3 欧拉公式适用范围142

8．2．4 稳定性条件143

8．3 外压作用下圆筒的稳定性144

8．4 外压容器设计147

思考题151

第9章 应力分析方法153

9．1 解析方法153

9．1．1 精确解153

9．1．2 近似解155

9．2 数值方法156

9．2．1 差分法156

9．2．2 有限元法156

9．3 实验应力分析164

9．3．1 电测法原理164

9．3．2 现场测试的一些问题165

思考题169

第10章 压力容器的分析设计170

10．1 常规设计与分析设计170

10．2 分析设计的基本方法174

10．2．1 塑性理论在分析设计中的应用175

10．2．2 安定性问题175

10．2．3 低周疲劳与棘轮现象180

10．3 应力分类184

10．3．1 概述184

10．3．2 分类依据185

10．3．3 一次应力(primarystress) 186

10．3．4 二次应力(secondaryStress) 188

10．3．5 峰值应力(peakstress) 189

10．3．6 示例194

10．4 各类应力的确定195

10．4．1 等效线性化方法195

10．4．2 一次结构法197

10．5应力强度评定200

10．5．1 应力强度计算201

10．5．2 各类应力强度的评定202

10．6 分析设计中需要说明的几个问题204

10．6．1 分析设计的计算公式与曲线204

10．6．2应力分析的免除205

10．6．3 塑性分析的应用206

10．6．4 分析设计过程的提示206

10．7 示例207

思考题210

第11章 压力容器的疲劳分析212

11．1 概述212

11．2 循环的基本特性213

11．3 高周疲劳与低周疲劳214

11．3．1 高周疲劳215

11．3．2 低周疲劳215

11．3．3 平均应力的影响217

11．3．4 应力集中的影响220

11．3．5 应力指数222

11．4 累积损伤224

11．5 压力容器的疲劳设计226

11．5．1 容器是否要进行疲劳分析的规定227

11．5．2 疲劳分析229

11．6 容器接管对疲劳的影响232

11．7 提高疲劳寿命的一些措施234

11．8 综合例题234

思考题244

参考文献246