边缘应力特性与降低措施

边缘应力的产生及特性
在实际生产过程中所用的压力容器的壳体，基本上都是由球壳、圆柱壳、圆锥壳等简单壳体组合而成，壳体的母线不是单一简单的曲线，而是多种曲线的组合，即壳体可以看成是由一条特定的组合曲线绕轴线回转而得到的，由此引起母线连接处出现了不连续性，从而造成连接处出现了应力的不连续性。另外，壳体沿轴线方向上在厚度、载荷、材质、温差等方面发生变化，也会在连接处产生不连续应力。以上在连接边缘处所产生的不连续应力统称为边缘应力。
不同组合的壳体，在连接边缘处所产生的边缘应力是不相同的。有的边缘应力比较显著，其应力值可以达到很高的数值，但它们有一个明显的特征，就是衰减快、影响范围小，应力只存在于连接边缘处的局部区域，离开边缘稍远区域边缘应力便迅速减少为零，边缘应力的这一特性通常称为局限性。分析发现，对于一般钢材，在距边缘2.5sqrt（Rδ）（δ为壳体厚度、R为壳体半径）处，其边缘应力衰减掉95.7%。此外，边缘应力是由于在边缘两侧的壳体出现弹性变形不协调以及它们的变形相互受到弹性约束所致，但是，对于塑性材料制造的壳体而言，当连接边缘处的局部区域材料产生塑性变形时，原来的弹性约束便会得到缓解，并使原来的不同变形立刻趋于协调，变形将不会连续发展，边缘应力被自动限制，这种性质称为边缘应力的自限性。
降低边缘应力的措施
1.减少两连接件的刚度差
两连接件变形不协调会引起边缘应力。壳体刚度与材料的弹性模量、曲率半径、厚度等因素有关。设法减少两连接件的刚度差，是降低边缘应力的有效措施之一。直径和材料都相同的两圆筒连接在一起，当筒体厚度不同时，在内压作用下会出现不连续而导致产生边缘应力。如果将不同厚度的厚圆筒部分在一定范围内削薄，可以降低边缘应力。两厚度差较小时，可以采用下图 (a)所示的单面削薄结构；两厚度差较大时，宜采用双面削薄结构。
2.尽量采用圆弧过渡
几何尺寸和形状的突然改变是产生应力集中的主要原因之一。为了降低应力集中，在结构不连续处尽量采用圆弧过渡或经形状优化的特殊曲线过渡。例如，在平盖封头的内表面，其最大应力出现在内部拐角A点的附近，若采用半径不小于0. 5δp和(Dc/6)过渡圆弧，将会减少由于结构不连续所带来的边缘应力。
3.局部区域补强
在有局部载荷作用的壳体处，如壳体与吊耳的连接处、卧式容器与鞍式支座连接处等，在壳体与附件之间加一块垫板，适当给予补强，由此可以有效降低局部应力。
4.选择合适的开孔方位
根据载荷对筒体的影响，选择适当的开孔位置、方向和形状，如椭圆和长圆孔的长轴应与开孔处的最大应力方向平行，孔尽量开在应力水平比较低的位置，由此也可以降低局部应力。

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