外壓容器之圓筒及封頭的設(shè)計(jì)

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1、第五章外壓容器之圓筒及封頭的設(shè)計(jì)5.1概述5.1.1.外壓容器的失穩(wěn)均勻外壓——容器壁內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力；外壓在小于一定值時(shí)——保持穩(wěn)定狀態(tài)；外壓達(dá)到一定值時(shí)，容器就失去原有穩(wěn)定性突然癟塌，變形不能恢復(fù)?！Х€(wěn)1回憶壓桿失穩(wěn)過(guò)程中應(yīng)力的變化：※壓力小于一定值時(shí)，卸掉載荷，壓桿恢復(fù)原形?！鶋毫_(dá)到一定值時(shí)，壓桿突然彎曲變形，變形不能恢復(fù)?！Х€(wěn)是瞬間發(fā)生的，壓應(yīng)力突然變?yōu)閺澢鷳?yīng)力。2外壓容器失穩(wěn)的過(guò)程失穩(wěn)前，殼壁內(nèi)存在有壓應(yīng)力，外壓卸掉后變形完全恢復(fù)；失穩(wěn)后，殼壁內(nèi)產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的復(fù)雜應(yīng)力。失穩(wěn)過(guò)程是瞬間發(fā)生的。3外

2、壓試驗(yàn)——失穩(wěn)現(xiàn)象長(zhǎng)圓筒失穩(wěn)短圓筒失穩(wěn)帶加強(qiáng)圈圓筒失穩(wěn)失穩(wěn)后圓筒橫截面的變化4真實(shí)的外壓試驗(yàn)55.1.2容器失穩(wěn)型式分類（1）.側(cè)向失穩(wěn)載荷——側(cè)向外壓變形：橫截面由圓型突變?yōu)椴ㄐ?（2）.軸向失穩(wěn)載荷——軸向外壓失穩(wěn)時(shí)經(jīng)向應(yīng)力由壓應(yīng)力突變?yōu)閺澢鷳?yīng)力。變形：——經(jīng)線變?yōu)椴ㄐ?（3）.局部失穩(wěn)載荷：局部壓力過(guò)大局部范圍的殼體壁內(nèi)的壓應(yīng)力突變?yōu)閺澢鷳?yīng)力。8——臥式容器中部失穩(wěn)（慢放）——支座處失穩(wěn)（慢放）局部失穩(wěn)：95.2臨界壓力5.2.1.臨界壓力概念（pcr)當(dāng)外壓低于臨界壓力（p＜pcr)時(shí),壓縮變形可以恢復(fù)；當(dāng)外

3、壓等于臨界壓力（p=pcr）時(shí)，壁內(nèi)壓縮應(yīng)力和變形發(fā)生突變，變形不能恢復(fù)。導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的壓力稱為該筒體的臨界壓力?！搀w抵抗失穩(wěn)的能力。此時(shí)筒壁內(nèi)存在的壓應(yīng)力稱為臨界壓應(yīng)力，以σcr表示。10——與材料的彈性模量（E)和泊桑比(μ)有直接關(guān)系。1.筒體材料性能的影響5.2.2.影響臨界壓力的因素2）臨界壓力的計(jì)算公式1）筒體失穩(wěn)時(shí)壁內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服點(diǎn)——與材料的強(qiáng)度沒(méi)有直接關(guān)系。112.筒體幾何尺寸的影響Pcr=500水柱試件1壁厚為試件（1）的3/5，其他相同Pcr=300水柱試件2試件3長(zhǎng)度為試件（2）的2

4、倍，其他相同Pcr=120~150水柱試件4比試件（3）增加一個(gè)加強(qiáng)圈，其他相同Pcr=300水柱12序號(hào)筒徑Dmm筒長(zhǎng)Lmm有無(wú)加強(qiáng)圈壁厚Smm臨界壓力pcrmm水柱123490909090175175350350無(wú)無(wú)無(wú)有0.510.30.30.3500300120~150300結(jié)論:1).比較1和2，L/D相同時(shí)，S/D大者pcr高，；2).比較3和2，S/D相同時(shí)，L/D小者pcr高；3).比較3和4，S/D,L/D相同時(shí)，有加強(qiáng)圈者pcr高.133.圓筒的橢圓度和材料不均勻性的影響筒體失穩(wěn)不是因?yàn)樗嬖跈E圓度

5、或材料不均勻而引起的。但是，筒體存在橢圓度或材料不均勻，會(huì)使其失穩(wěn)提前發(fā)生。橢圓度e=(Dmax–Dmin)/DN145.2.3長(zhǎng)圓筒、短圓筒及剛性圓筒1.鋼制長(zhǎng)圓筒臨界壓力公式：從上述公式看，影響長(zhǎng)圓筒臨界壓力的因素如何？除了與材料物理性質(zhì)（E,μ）有關(guān)外，幾何方面只與徑厚比（Se/DO)有關(guān)，與長(zhǎng)徑比（L/DO)無(wú)關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果證明：長(zhǎng)圓筒失穩(wěn)時(shí)的波數(shù)為2。152.鋼制短圓筒臨界壓力公式：L為計(jì)算長(zhǎng)度從公式看，短圓筒臨界壓力大小與何因素有關(guān)？除了與材料物理性質(zhì)有關(guān)外，與圓筒的厚徑比和長(zhǎng)徑比均有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果證明：短圓

6、筒失穩(wěn)時(shí)的波數(shù)為大于2的整數(shù)。163.剛性圓筒剛性圓筒——不會(huì)因失穩(wěn)而破壞。破壞形式是強(qiáng)度破壞，即壓縮應(yīng)力σs許用外壓力計(jì)算公式為：174.臨界長(zhǎng)度介于長(zhǎng)圓筒與短圓筒之間，介于短圓筒與剛性圓筒之間的長(zhǎng)度均稱為臨界長(zhǎng)度。確定臨界長(zhǎng)度的方法：由長(zhǎng)圓筒的臨界壓力等于短圓筒的臨界壓力——長(zhǎng)圓筒與短圓筒之間的臨界長(zhǎng)度為：——短圓筒與剛性圓筒之間的臨界長(zhǎng)度L’cr。計(jì)算長(zhǎng)度L＞Lcr時(shí)，圓筒為長(zhǎng)圓筒；L’cr＜L＜Lcr為短圓筒；L＜L’cr時(shí)為剛性圓筒。185.計(jì)算長(zhǎng)度的確定（1）有加強(qiáng)圈的筒體取相鄰兩加強(qiáng)圈的間距。（2）與凸

7、形封頭相連的筒體，計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)入封頭內(nèi)高度的1/3。195.3外壓圓筒的工程設(shè)計(jì)5.3.1.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)必須保證計(jì)算壓力滿足下式：式中m——穩(wěn)定安全系數(shù)。圓筒、錐殼取3.0；球殼、橢圓形及碟形封頭取15。m的大小取決于形狀的準(zhǔn)確性（加工精度）、載荷的對(duì)稱性、材料的均勻性等等。205.3.2外壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)的圖算法1.算圖的由來(lái)思路：由已知條件（幾何條件：L/Do,Do/Se以及材質(zhì)，設(shè)計(jì)溫度）確定許用外壓力[p]，判斷計(jì)算壓力是否滿足：幾何條件穩(wěn)定條件ε211）確定ε~幾何條件關(guān)系得到如下關(guān)系式：——得到“ε~幾何條

8、件”關(guān)系2223第一步：由幾何參數(shù)：L/DO和Do/Se，確定筒體應(yīng)變值ε。作得如下算圖1：思考題：曲線中平行于縱軸的直線部分是什麼圓筒？?jī)A斜部分？拐角部分？算圖來(lái)源分析：24第二步：由應(yīng)變值ε，根據(jù)不同的材料及不同的設(shè)計(jì)溫度，確定B值。公式為：第三步：根據(jù)B值，確定許用外壓。公式為：注意！彈性模量E隨材料及其溫度而變化。252.外壓圓筒和管子