过程设备设计基础
 
 
课程发展历史沿革   理论课和理论实践课教学内容   教学条件   教学方法   教学效果
理论课和理论实践课教学内容

一、课程在本专业的定位与课程目标

 

1.学校办学定位、人才培养目标和生源情况

     西安石油大学是一所以工为主,以石油石化为主要特色,理、工、经、管、文、法、教协调发展的高水平教学多科性大学。我校在“立足石油,立足陕西,面向西部,服务全国”的办学定位思想指导下,为石油石化工业和西部经济社会发展,培养理论基础扎实、实践能力强、素质高的应用型高级专门人才。我校面向全国招生。课程所属专业领域 -- 过程装备与控制工程专业为陕西省名牌专业,隶属西安石油大学机械工程学院化工机械系。专业创建于 1958 年,是中国中西部唯一以炼油石化设备为特色的本科专业,为我国石油石化行业培养了 3000 多名设备技术骨干,在社会和行业中具有较高的知名度。专业由多个大类学科交叉融合而成的,其理论基础涉及到化工类、机械类、电气信息类等工学学科,我校特色是以石化炼油设备机械学科为依托,以过程装备工程设计、过程装备与控制工程制造、运行安全为三个主要方向。

2.课程定位 

    过程设备设计基础课程是面向机械类和化工类各专业中研究流程工业设备共性问题的专业技术基础课,其目的在于应用材料学、力学理论和方法,培养学生综合运用基础课、技术基础课的基本理论,及相关工程实践知识,从材料、设备强度、刚度、制造质量、安装、操作维护等方面对过程装备的工程设计进行综合分析、运用和研究,能熟悉并掌握过程设备设计的基本理论及工程实践,能采用合理的方法进行过程装备设计。通过本课程的学习,要求学生有工程综合能力和开发创新能力。特别是在培养复合型、理论与实际相结合、具有创新思想和创新能力的人才方面起着十分重要的作用。本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法,在培养能力方面着重设计构思和设计技能的基本训练,并结合陕西能源重化工基地的特点进行课程内容的安排。

3.课程总体目标

( 1 )掌握设计过程设备的基本概念和方法,包括:各类过程设备结构分析、载荷分析、设计及计算方法。

( 2 )能够借助国家标准、资料或网络信息的帮助,进行各种过程设备的设计,包括:设计参数确定、工艺计算与设备设计关系、结构设计和设计计算。培养学生的工程设计能力和创新思维。

( 3 )通过设备内压应力综合测试实验和设备外压和高压破坏实验,培养学生的实验动手能力和数据处理能力。

( 4 )初步掌握常压、中低压化工容器设备的初步设计和现代设计方法、设计流程,为机械类和化工类专业课程的学习打下良好的基础,为成为一名优秀的工程师奠定坚实的工程实际和理论基础。

 

二、知识模块顺序及对应的学时

 

    本课程的主要任务是:

( 1 )了解压力容器的基本结构、分类和规范标准。

( 2 )掌握回转薄壳、厚壁圆筒、平板的应力分析,熟悉壳体的稳定性及典型局部应力的分析。为学生将来从事产品的设计、开发提供必要的理论基础。

( 3 )了解压力容器用材的有关知识。初步具有从事压力容器用材选择及使用、维护管理的能力。

( 4 )掌握压力容器设计的基本准则,掌握常规压力容器的设计,通过查阅标准、工具书等能够正确设计常规压力容器。了解压力容器分析设计法则、疲劳分析和压力容器的设计技术进展。具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料及编写设计说明书的工程能力。

其主要知识模块包括:

知识模块

讲 课 内 容

学 时

概念

第 0 章 绪论

1

知识模块 1 基本知识

第 1 章压力容器导言

1.1 压力容器总体结构

1.2 压力容器分类

1.3 压力容器规范标准

3

知识模块 2 理论基础

第 2 章 压力容器应力分析

2.1 载荷分析

2.2 回转薄壳应力分析

2.3 厚壁圆筒应力分析

2.4 平板应力分析

2.5 壳体的稳定性分析

2.6 典型局部应力

16

知识模块 3 材料基础

第 3 章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

3.1 压力容器材料

3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响

3.3 环境对压力容器用钢性能的影响

3.4 压力容器材料选择

4

知识模块 4 典型设备设计工程应用

第 4 章 压力容器设计

4.1 概述

4.2 设计准则

4.3 常规设计

10

知识模块 5 发展动态

4.4 分析设计

4

4.5 疲劳分析     

1

4.6 压力容器设计技术进展

1

知识模块 6 实验教学

实验 1 :内压薄壁容器应力测定实验

2

实验 2 :外压容器失稳实验

2

实验 3 :高压爆破实验

2

 

合 计

46

 

 

三、课程的重点、难点及解决办法

1. 课程的重点、难点

•  压力容器导言重点:压力容器总体结构、压力容器分类;

•  压力容器应力分析重点:回转薄壳应力分析、厚壁圆筒应力分析、壳体的稳定性分析;

•  压力容器应力分析难点:回转薄壳应力分析中几何方程、厚壁圆筒应力分析中温差应力、平板应力分析中几何方程、壳体的稳定性分析、典型局部应力;

•  压力容器设计重点:设计准则、常规设计、分析设计、疲劳分析;

•  压力容器设计难点:设计准则选择、常规设计中局部结构和外压设计、分析设计、疲劳分析;

•  压力容器设计难点:内压薄壁容器设计准则选用。

•  压力容器设计常规设计难点:局部结构设计。

•  压力容器设计常规设计难点:外压圆筒工程设计方法。

•  压力容器分析设计难点:应力分类及限制。

•  压力容器疲劳分析难点:平均应力对低循环疲劳曲线的影响及其修正。

2. 解决办法

•  认真选择、精心组织教学内容,使教学系统的整体功能得到充分发挥,从而取得最佳教学效果。综合运用现代教学手段,体现启发式教学的原则,引导学生进行创造性的思维活动,把学生从“听”到“看”的被动地位,推向积极思维的运动中去,调动学生学习的积极性。

•  重点内容的反复强调和习题讲解,同时结合主讲教师在科研中的实例讲解并辅助典型教具、多媒体、 CAI 等示教。

•  师生互动,每次 2 个小时的课程中留出 5 ~ 10 分钟,先问学生对本次讲课内容还有那些知识点没有搞懂,针对学生问题进行重点讲解;若学生提不出问题,教师针对本次课程的重点问题提问让学生回答以便检验学生学习情况。

•  难点:内压薄壁容器设计准则选用,通过由容器失效方式与失效判据及四个强度理论得出设计准则来解决。

•  难点:局部结构设计,通过由引入典型实例介绍局部应力产生的条件及特性并给出工程设计中的处理方法来解决。

•  难点:外压圆筒工程设计方法,通过由详细讲解图表制作过程和双对数坐标数学模型来解决。

•  难点:应力分类及限制,通过由柱壳为例,深入浅出详解分析步骤来解决。

•  难点:平均应力对低循环疲劳曲线的影响及其修正,通过明确等疲劳寿命曲线的概念,突出修正思路来解决。

四、实践教学的设计思想与效果(不含实践教学内容的课程不填)

    “课程设计”是《过程设备设计基础》课程的重要教学环节,是对全部课程内容的一次综合应用,它既能体现出学生对所学理论知识的理解程度,又能体现出学生对实际问题分析、处理的能力;是工科学生第一次较全面的产品设计训练,其主要目的是培养学生设计能力,分析问题和解决问题能力,为毕业设计以及工作后从事设计工作打下良好基础。我校多年来一直从事课程设计的教学改革工作,教学效果显著,多次获得各级奖励,得到校内外专家和学生的好评。

    课程实验设计从培养学生能力的需要出发,课程实验的基本理论包括:内压旋转薄壳的无力距理论、平板封头及薄壁筒体的应力分析,外压薄壁壳体的稳定性,厚壁筒体的强度计算等。通过实验课,验证所学理论,巩固所学知识。着重对学生进行实验研究方法与实验技能的基本训练,培养学生计算能力、动脑动手能力和严肃认真、实事求是的科学工作态度。提高学生综合分析问题及解决问题的能力。

    内压薄壁容器应力测定实验项目为设计性实验,给定薄壁容器及测量仪器,使学生掌握薄壁容器应力测试原理及方法。了解薄壁容器应力分布。

    外压圆筒失稳实验项目为验证性实验,通过对外压容器临界压力,波数的测量,了解其稳定性。

    高压容器爆破实验项目为验证性实验,测量高压容器爆破压力,掌握实验方法。

 

实践(验)课教学内容

1.课程设计的思想、效果以及课程目标

    课程设计工程实践训练作为一门综合性、基础性的工程训练环节,使学生得到比较完整的压力容器设计方面的思想、概念和方法,掌握初步设计、基础设计和施工图设计的基本技能。通过这样的训练,使学生进一步树立过程设计中的工程观念,使学生运用所学的基础知识解决实际工程问题的能力得到进一步提高。

2.程内容(详细列出实验或实践项目名称和学时)

•  内压薄壁容器应力测定实验 2 学时

•  外压圆筒失稳实验 2 学时

•  高压容器爆破实验 2 学时

3.课程组织形式与教师指导方法

设计题目:卧式容器设计

每个学生的设计压力、容器容积、设计温度等主要设计参数均不同。

每个教师指导人数 15 个以内。

4.考核内容与方法

    课程设计要求:

1) 根据主要设计参数确定容器结构尺寸,包括封头型式、筒体直径、长度、支座形式及位置等。

2) 根据生产需要,确定容器上开孔尺寸及位置。

3) 材料选择说明。

4) 筒体、封头、接管壁厚设计确定。

5) 鞍座和筒体应力校核。

6) 人孔型式选择,法兰设计校核。

7) 开孔补强计算。

8) 完成总装配图一张。

9) 完成包括切割方法、成型方法、焊接方法与坡口型式和焊接工艺、检验手段和要求等内容的主要制造过程工艺设计。

10) 完成设计说明计算书一份 (20 页以上 ) 。

5.创新与特点

    从内容选取上,立足于从培养学生工程设计基本能力出发,特别注意加强基础理论知识应用能力培养、工程观念培养和基本设计技能的培养。努力引导学生要用系统工程学的观点全面分析设计工作中所涉及到的诸因素对整个系统过程的影响,强调系统的综合性和协调性。这对培养学生的工程观念、培养学生分析和解决工程实际问题的能力,提高学生的综合素质是十分有益的必要的。

    任务中所选择的设计参数示例,多来自于近年来所承担的实际工程改造项目中的设计题目,具有真实的工程实际应用背景。