外压容器之圆筒及封头的设计

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1、第五章外压容器之圆筒及封头的设计5.1概述5.1.1.外压容器的失稳均匀外压——容器壁内产生压应力；外压在小于一定值时——保持稳定状态；外压达到一定值时，容器就失去原有稳定性突然瘪塌，变形不能恢复。——失稳1回忆压杆失稳过程中应力的变化：※压力小于一定值时，卸掉载荷，压杆恢复原形。※压力达到一定值时，压杆突然弯曲变形，变形不能恢复。※失稳是瞬间发生的，压应力突然变为弯曲应力。2外压容器失稳的过程失稳前，壳壁内存在有压应力，外压卸掉后变形完全恢复；失稳后，壳壁内产生了以弯曲应力为主的复杂应力。失稳过程是瞬间发生的。3外

2、压试验——失稳现象长圆筒失稳短圆筒失稳带加强圈圆筒失稳失稳后圆筒横截面的变化4真实的外压试验55.1.2容器失稳型式分类（1）.侧向失稳载荷——侧向外压变形：横截面由圆型突变为波形6（2）.轴向失稳载荷——轴向外压失稳时经向应力由压应力突变为弯曲应力。变形：——经线变为波形7（3）.局部失稳载荷：局部压力过大局部范围的壳体壁内的压应力突变为弯曲应力。8——卧式容器中部失稳（慢放）——支座处失稳（慢放）局部失稳：95.2临界压力5.2.1.临界压力概念（pcr)当外压低于临界压力（p＜pcr)时,压缩变形可以恢复；当外

3、压等于临界压力（p=pcr）时，壁内压缩应力和变形发生突变，变形不能恢复。导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力。——筒体抵抗失稳的能力。此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以σcr表示。10——与材料的弹性模量（E)和泊桑比(μ)有直接关系。1.筒体材料性能的影响5.2.2.影响临界压力的因素2）临界压力的计算公式1）筒体失稳时壁内应力远小于材料屈服点——与材料的强度没有直接关系。112.筒体几何尺寸的影响Pcr=500水柱试件1壁厚为试件（1）的3/5，其他相同Pcr=300水柱试件2试件3长度为试件（2）的2

4、倍，其他相同Pcr=120~150水柱试件4比试件（3）增加一个加强圈，其他相同Pcr=300水柱12序号筒径Dmm筒长Lmm有无加强圈壁厚Smm临界压力pcrmm水柱123490909090175175350350无无无有0.510.30.30.3500300120~150300结论:1).比较1和2，L/D相同时，S/D大者pcr高，；2).比较3和2，S/D相同时，L/D小者pcr高；3).比较3和4，S/D,L/D相同时，有加强圈者pcr高.133.圆筒的椭圆度和材料不均匀性的影响筒体失稳不是因为它存在椭圆度

5、或材料不均匀而引起的。但是，筒体存在椭圆度或材料不均匀，会使其失稳提前发生。椭圆度e=(Dmax–Dmin)/DN145.2.3长圆筒、短圆筒及刚性圆筒1.钢制长圆筒临界压力公式：从上述公式看，影响长圆筒临界压力的因素如何？除了与材料物理性质（E,μ）有关外，几何方面只与径厚比（Se/DO)有关，与长径比（L/DO)无关。试验结果证明：长圆筒失稳时的波数为2。152.钢制短圆筒临界压力公式：L为计算长度从公式看，短圆筒临界压力大小与何因素有关？除了与材料物理性质有关外，与圆筒的厚径比和长径比均有关。试验结果证明：短圆

6、筒失稳时的波数为大于2的整数。163.刚性圆筒刚性圆筒——不会因失稳而破坏。破坏形式是强度破坏，即压缩应力σs许用外压力计算公式为：174.临界长度介于长圆筒与短圆筒之间，介于短圆筒与刚性圆筒之间的长度均称为临界长度。确定临界长度的方法：由长圆筒的临界压力等于短圆筒的临界压力——长圆筒与短圆筒之间的临界长度为：——短圆筒与刚性圆筒之间的临界长度L’cr。计算长度L＞Lcr时，圆筒为长圆筒；L’cr＜L＜Lcr为短圆筒；L＜L’cr时为刚性圆筒。185.计算长度的确定（1）有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。（2）与凸

7、形封头相连的筒体，计算长度计入封头内高度的1/3。195.3外压圆筒的工程设计5.3.1.设计准则设计时必须保证计算压力满足下式：式中m——稳定安全系数。圆筒、锥壳取3.0；球壳、椭圆形及碟形封头取15。m的大小取决于形状的准确性（加工精度）、载荷的对称性、材料的均匀性等等。205.3.2外压圆筒壁厚设计的图算法1.算图的由来思路：由已知条件（几何条件：L/Do,Do/Se以及材质，设计温度）确定许用外压力[p]，判断计算压力是否满足：几何条件稳定条件ε211）确定ε~几何条件关系得到如下关系式：——得到“ε~几何条

8、件”关系2223第一步：由几何参数：L/DO和Do/Se，确定筒体应变值ε。作得如下算图1：思考题：曲线中平行于纵轴的直线部分是什麽圆筒？倾斜部分？拐角部分？算图来源分析：24第二步：由应变值ε，根据不同的材料及不同的设计温度，确定B值。公式为：第三步：根据B值，确定许用外压。公式为：注意！弹性模量E随材料及其温度而变化。252.外压圆筒和管子