北京化工大学：《过程设备设计》课程教学资源（课件讲稿）第七章 塔设备 7.5 塔的强度设计

过程设备设计 7.5塔的强度设计 本章重点 本章计算 重点 教学重点： 塔的强度设计。 教学难点： 塔的强度设计。 本章计算 难点

过程设备设计 教学重点： 7.5 塔的强度设计 本章重点 本章计算 重点 3 塔的强度设计。 教学难点： 塔的强度设计。 本章计算 难点

过程设备设计 7.5塔的强度设计 对于安装在室外，靠裙座底部的地脚螺栓固定在混凝 土基础上的塔设备： 介质压力 各种重量 管道推力 包括塔体、塔内件、介 承受载荷 质、保温层、操作平台、 偏心载荷 扶梯等附件的重量 风载荷 地震载荷

过程设备设计 7.5 塔的强度设计 对于安装在室外，靠裙座底部的地脚螺栓固定在混凝 ，靠裙座底部的地脚螺栓固定在混凝 土基础上的塔设备： 介质压力 各种重量 4 承受载荷 各种重量 管道推力 偏心载荷 风载荷 地震载荷 包括塔体、塔内件、介 质、保温层、操作平台、 扶梯等附件的重量

7.5塔的强度设计 过程设备设计 正常操作 三种工况 停工检修 压力试验 三种工况下轴向强度及稳定性校核的基本步骤： 按设计条件，初步确定塔的厚度和其他尺寸。 计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震 载荷和偏心载荷等。 危险截面的轴向强度和稳定性校核。 设计计算裙座、基础环极、地脚螺栓等。 5

7.5 塔的强度设计 过程设备设计 三种工况 正常操作 停工检修 压力试验 三种工况下轴向强度及稳定性校核的基本步骤： 5 按设计条件，初步确定塔的厚度和其他尺寸 ，初步确定塔的厚度和其他尺寸。 计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震 载荷和偏心载荷等。 危险截面的轴向强度和稳定性校核。 设计计算裙座、基础环板、地脚螺栓等

7.5塔的强度设计 过程设备设计 塔的强度设计的解题思路 由轴向力 介质压力 引起的 各种重量 地震载荷 要用到 承受载荷 固有周期T 风载荷 M 偏心载荷 左本本 由弯矩引起的 应力校核 总 轴向总应力 6

7.5 塔的强度设计 过程设备设计 塔的强度设计的解题思路 承受载荷 介质压力 各种重量 风载荷 地震载荷 σ 要用到 固有周期T 由轴向力 引起的 σ 1 2 6 偏心载荷 风载荷 等等 M 应力校核 轴向总应力 由弯矩引起的 σ σ 总 3

7.5塔的强度设计 过程设备设计 7.5.1塔的固有周期 在动载荷（风载荷、地震载荷）作用下， 塔设备各截面变形及内力与塔的自由振 动周期（或频率）及振型有关。 在进行塔设备载荷计算及强度校核之前， 必须首先计算固有（或自振）周期。 7

7.5 塔的强度设计 过程设备设计 7.5.1 塔的固有周期 在动载荷(风载荷、地震载荷)作用下， 塔设备各截面变形及内力与塔的自由振 动周期(或频率)及振型有关。 7 动周期(或频率)及振型有关。 在进行塔设备载荷计算及强度校核之前， 必须首先计算固有（或自振）周期

7.5塔的强度设计 过程设备设计 固有周期的求解思路 振动微分方程 ↓ 设通解 ↓ 由边界条件 ↓ 定通解 0 求得固有周期 8

7.5 塔的强度设计 过程设备设计 固有周期的求解思路 振动微分方程 设通解 8 由边界条件 定通解 求得固有周期

7.5塔的强度设计 过程设备设计 塔设备 具有多个自由度体系 具有多个固有频率（或周期）。 基本固有频率（基本频率） 最低的频率@1。 第二，第三， …频率 从低到高依次为 023,等。 基本固有周期（基本周期） 与基本频率相对应的周期。 9

7.5 塔的强度设计 过程设备设计 第二，第三，……频率——从低到高依次为 塔设备——具有多个自由度体系 ——具有多个固有频率(或周期)。 基本固有频率（基本频率）——最低的频率ω1。 9 第二，第三，……频率——从低到高依次为 ω2，ω3，……等。 基本固有周期（基本周期）—— 与基本频率相对应的周期

7.5塔的强度设计 过程设备设计 一、 等直径、等壁厚塔的固有周期 1.力学模型 口 顶端自由、 底部固定、 质量沿高度 均匀分布的 悬臂梁 图7-71计算模型 10

7.5 塔的强度设计 过程设备设计 一、等直径、等壁厚塔的固有周期 1.力学模型 10 图7-71 计算模型 顶端自由、 底部固定、 质量沿高度 均匀分布的 悬臂梁

7.5塔的强度设计 过程设备设计 2.挠度曲线方程（动载荷) 梁在动载荷作用下发生弯曲振动， 挠度曲线随时间变化，为 y=y(x,t) 11

7.5 塔的强度设计 过程设备设计 2. 挠度曲线方程（动载荷） 梁在动载荷作用下发生弯曲振动， 挠度曲线随时间变化，为 11 挠度曲线随时间变化，为 y = y(x,t)

7.5塔的强度设计 过程设备设计 3.挠度曲线方程（静载荷） 设塔为理想弹性体、振幅很小、无阻尼、塔高与塔直径之 比较大（大于5），由材料力学中弯曲理论知，在分布惯性 力q作用下的挠曲线微分方程为： 振动微分方程 9 (7-1)》 式中E-塔体材料在设计温度下的弹性模量，Pa; 一塔截面的形心轴惯性矩， (D-D=D,8 m4; 6 8 D一塔的内直径，m: D塔的外直径，m: δe一塔壁的有效厚度，m。 12

7.5 塔的强度设计 过程设备设计 设塔为理想弹性体、振幅很小、无阻尼、塔高与塔直径之 、塔高与塔直径之 比较大（大于5），由材料力学中弯曲理论知，在分布惯性 力q作用下的挠曲线微分方程为： ∂ y4 振动微分方程 3. 挠度曲线方程（静载荷） 12 q x y EI = ∂ ∂ 4 4 （7-1） 式中 E─塔体材料在设计温度下的弹性模量， Pa; I─塔截面的形心轴惯性矩, D Di Di e I δ π 4 4 π 3 0 8 ( ) 64 = − ≈ ，m4; ─塔的内直径，m； ─塔的外直径，m; δe—塔壁的有效厚度，m。 Di D0