第四章 外压圆筒与封头的设计-加强圈的设计

1、2021-6-22 第五章第五章 外压圆筒与封头的设计外压圆筒与封头的设计 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 临界压力临界压力 4.3 4.3 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计 4.5 4.5 外压圆筒加强圈的设计外压圆筒加强圈的设计 4.4 4.4 外压球壳与凸形封头的设计外压球壳与凸形封头的设计 2021-6-22 5.4 外压球壳与凸形封头的设计 5.4.1 外压球壳和球形封头的设计外压球壳和球形封头的设计 R E Rp e e crs crs 605. 0 2 临界压力临界压力 2 21. 1 R Ep e crs 临界应力临界应力 临界应变临界应变 RE ecrs crs

2、 605. 0 许用压力许用压力 R E mRmm p p e crs s e crs ss crs 22 R：球壳半径：球壳半径 2021-6-22 5.4.1 5.4.1 外压球壳和球形封头的设计外压球壳和球形封头的设计 许用压力许用压力 ms=14.52 令令 crs s crs s s E mm B 22 R Bp e s 则则 令令 crs A 3/52.14 1 crs 84. 4 1 R e 84. 4 605. 0 R e 125. 0 则则Bs值可从值可从A-B曲线中查得曲线中查得 R E mRmm p p e crs s e crs ss crs 22 2021-6-22

3、5.4.1 5.4.1 外压球壳和球形封头的设计外压球壳和球形封头的设计 外压球壳稳定计算步骤： 1）假设壁厚）假设壁厚n(新容器新容器)，或实测壁厚，或实测壁厚n(在用容器在用容器)，计算有效厚度，计算有效厚度 e=n-C1-C2或或e=c-2n，计算计算e/R； 3）根据材料选出）根据材料选出A-B曲线，若曲线，若A值位于曲线左侧，值位于曲线左侧，说明发生弹性失说明发生弹性失 稳，根据图上的稳，根据图上的E值，计算许用压力值，计算许用压力p： R Bp e s R A e 125. 0 2）计算）计算A值值 4）若）若A位于曲线右侧，从曲线上查得位于曲线右侧，从曲线上查得Bs值，计算值，计

4、算 p： 22 0833. 0 52.14 21. 1 R E R E m p p ee s crs 5）比较）比较 p与与p 2021-6-22 5.4.2 5.4.2 凸面受压封头的设计凸面受压封头的设计 外压凸形封头的稳定计算与球壳相同，但球壳半径外压凸形封头的稳定计算与球壳相同，但球壳半径R 取值不同：取值不同： 球冠形封头球冠形封头R取球面内半径；取球面内半径； 标准椭圆形封头取标准椭圆形封头取R=0.9Di； 蝶形封头取球面部分外半径。蝶形封头取球面部分外半径。 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 在圆筒的内部或外部相隔一定的距离焊接用型钢做的加在圆筒的内部或外部相隔

5、一定的距离焊接用型钢做的加 强圈，利用圈对筒壁的支撑作用，可以缩短圆筒的计算长强圈，利用圈对筒壁的支撑作用，可以缩短圆筒的计算长 度，提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。度，提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。 结构：扁钢、角钢、工字钢等都可以制作加强圈。结构：扁钢、角钢、工字钢等都可以制作加强圈。 5.5.1 加强圈的作用和结构加强圈的作用和结构 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 加强圈的结构形式加强圈的结构形式 扁钢扁钢 角钢角钢 工字钢工字钢 槽钢槽钢 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 5.5.2 加强圈的间距和数量加强圈的间距和数量 钢制短圆筒临

6、界压力为：钢制短圆筒临界压力为： Ls加强圈的间距，加强圈的间距，mm。 0 5 .2 0 / )/( 59.2 DL D Epmp s et cr 可见，当圆筒的可见，当圆筒的D0、e 一定时，外压圆筒的一定时，外压圆筒的临界压力临界压力 和和许用外压许用外压都都随着筒体加强圈间距随着筒体加强圈间距Ls的缩短而增加的缩短而增加。通常。通常 设计压力是由工艺条件确定了的，只有通过改变加强圈的设计压力是由工艺条件确定了的，只有通过改变加强圈的 参数来满足设备稳定性的要求。参数来满足设备稳定性的要求。 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 5 . 2 0 0 5 . 2 0 0 )(8

7、6. 0 )/( 59. 2 Dp D E mp D DEL etet s 筒体的筒体的D0、e和承受的外压和承受的外压 Pc 已确定时，该筒体所已确定时，该筒体所 需加强圈的最大间距：需加强圈的最大间距： 0 5 .2 0 / )/( 59.2 DL D Epmp s et cr 加强圈的数量等于圆筒不设加强圈的计算长度加强圈的数量等于圆筒不设加强圈的计算长度 L 除以除以 所需加强圈间距所需加强圈间距 Ls 再减去再减去1： 加强圈个数加强圈个数n=(L/Ls)一一1 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 条件：外压筒体条件：外压筒体P、D 加强圈加强圈角钢角钢 计算长度计算长

8、度L 作用在加强圈两侧各作用在加强圈两侧各L/2范围内筒体上的全部外力为：范围内筒体上的全部外力为： 一般认为，该力由加强圈和壳体有效段（宽2b）组成的具有 组合截面的圆环承担。 组合圆环上每单位弧长所承受的载荷 5.5.3 加强圈尺寸设计加强圈尺寸设计 1. 加强圈所需要的最小截面轴惯性矩加强圈所需要的最小截面轴惯性矩 DLP P = D PDL P = PLPL（式5-1） 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 经理论分析可导出：经理论分析可导出： t c E LDp I 27. 7 3 0 Imin：使在设计外压：使在设计外压p（p=pc）的作用下圆环不失稳，加强圈所必）的作

9、用下圆环不失稳，加强圈所必 须具有的最小轴惯性矩。须具有的最小轴惯性矩。 I组合圆环的组合截面对其与筒体轴线平行的形心轴的轴惯性组合圆环的组合截面对其与筒体轴线平行的形心轴的轴惯性 矩，体现材料的抗弯能力，与截面形状有关。矩，体现材料的抗弯能力，与截面形状有关。 I、A都反映截面几何性质，都反映截面几何性质， A体现材料抗拉能力；体现材料抗拉能力； I体现材料抗弯能力。体现材料抗弯能力。 （式5-2） 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 Is-组合截面的轴惯性矩组合截面的轴惯性矩 筒体安全工作的条件：筒体安全工作的条件： II s b b c x0 x1 z0 x d a 2.

10、筒体筒体稳定条件稳定条件 3、解决、解决Et的变数问题的变数问题 将前式整理变形，消去将前式整理变形，消去Et ，可得：，可得： A L A eLD I s O 9 .10 2 As一个加强圈的截面积；一个加强圈的截面积； A临界应变临界应变 （式5-3） 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 查查BA曲线，由曲线，由B确定确定A。 BA曲线上，曲线上，B对应的点对应的点 落在曲线段，落在曲线段， Et是变量，用是变量，用( (式式5-4)5-4)计算计算B B； 落在直线段，落在直线段， Et是常量，是常量， b b c x0 x1 z0 x d a 4、A的确定的确定 5、B的

11、确定的确定 )( L A PD B s e O （式5-4） ts e O t E L A PD E B A )(2 3 2 3 （式5-5） 2021-6-22 v将将5-5带入带入5-3，整理得，整理得 v结论：结论：Et为常数时，为常数时，I与与As（加强圈截面积）无关。（加强圈截面积）无关。 v注：注：I与与As无关的条件：无关的条件： v碳钢制真空容器，碳钢制真空容器，t425425 t c E LDp I 27. 7 3 0 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 b b c x0 x1 z0 x d a x0：角钢的中性轴：角钢的中性轴 x1：矩形截面的中性轴：矩形截面

12、的中性轴 x：组合截面的中性轴：组合截面的中性轴 7、Is的计算的计算 （1）确定组合截面中形心轴的位置）确定组合截面中形心轴的位置 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 b b c x0 x1 z0 x d a 1 AA cA a s s 组合截面中性轴的位置：组合截面中性轴的位置： ax轴到轴到x1轴间距；轴间距； A1-矩形截面积矩形截面积 As-角钢和矩形截面面积（可查表）角钢和矩形截面面积（可查表） cx1到到x0轴间距轴间距 （2）A1的确定：的确定： eO Db55. 0 e bA2 1 2021-6-22 5.5 外压圆筒加强圈的设计 b b c x0 x1 z0

13、x d a （3）确定）确定Is Is组合截面对中性轴组合截面对中性轴x轴的惯性矩轴的惯性矩 组合截面对组合截面对x轴的惯性矩轴的惯性矩IS等于角钢对等于角钢对x轴的惯性矩轴的惯性矩(IS)A 和矩形截面对和矩形截面对x轴惯性矩轴惯性矩(Is)B之和。之和。 BsAss III)()( 2021-6-22 4.5外压圆筒加强圈的设计 惯性矩平移定理：惯性矩平移定理： z1 z a z：过截面形心：过截面形心 z1：与：与z平行，相距平行，相距a A：截面面积：截面面积 Iz：截面对：截面对z轴的惯性矩轴的惯性矩 截面对截面对z1轴的惯性矩轴的惯性矩Iz1： AaII zz 2 1 2021-6-22 sAAs AdII 2 )( 式中，IA加强圈对中性轴x0的惯性矩（可查表） dx轴到x0轴间距。 1 2 )(AaII BBs 式中，IB矩形截面对中性轴x1的惯性矩（可查表） ax轴到x1轴间距。 2021-6-