外压圆筒与封头的设计

第五章外压圆筒与封头的设计本章重点：失稳和临界压力的概念；影响临界压力的因素；外压容器的图算法设计。本章难点：图算法的原理。建议学时：4学时首先复习我们前面曾经讲过的压力容器的分类，内压和外压，已在第四章介绍了内压的强度设计，今天开始学习外压容器的设计。第一节概述一、外压容器的失稳1、外压容器的定义壳体外部压力大于内部压力的容器。例图搅拌反应釜。2、外压薄壁容器的受力PDPD对于薄壁壳体来讲，内压薄壁圆筒受的是拉应力，即O=4,,o°=c，。而外压薄m48e25壁圆筒所受的是压应力，这种压缩应力的数值与内压容器相同，只是改变了应力的方向，然而，正是由于方向的改变，使得外压容器失效形式与内压不同。外压容器很少因为强度不足发生破坏，常常是因为刚度不足而发生失稳。下面我们来看看失稳的定义。3、失稳及其实质失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一数值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸除后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的失稳(Instability)二、容器失稳型式的分类1、按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳(容器由均匀侧向外压引起的失稳，叫侧向失稳，特点是失稳时，壳体横断面由原来的圆形变为波形，波数可以是两个、三个、四个……，如图所示)图5-1外压圆筒儡向失稳后的形状2、按压应力作用范围分为整体失稳与局部失稳第二节临界压力一、临界压力的概念壳体失稳时所承受的相应压力。壳体在临界压力作用下，壳体内存在的压应力称为临界压应力。二、影响临界压力的因素筒体几何尺寸的影响筒体材料性能的影响圆筒失稳时，在绝大多数情况下，筒壁内的压应力并没有达到材料的屈服点。（是弹性失稳）故这种情况失稳与材料的屈服点无关，只与材料的弹性模数E和泊松比p有关。材料的弹性模数E和泊松比p越大，其抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。但是，由于各种钢材的E和以值相差不大，所以选用高强度钢代替一般碳素钢制造外压容器，并不能提高筒体的临界压力。筒体椭圆度和材料不均匀性的影响1、稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀而引起的。无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。2、但是壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。三、长圆筒、短圆筒、钢性圆筒的定性描述相对几何尺寸两端边界影响临界压力失稳波形数长圆筒L/D0较大忽略只与Se/D0有关，与L/D0无关2短圆筒L/D0较小显著与SJD0有关，与L/D0有关大于2的整数刚性圆筒L/Do较小Se/Do较大不失稳四、临界压力的理论计算公式（一）长圆筒

1.钢制长圆筒长圆筒的临界压力可由圆环的临界压力公式推得，即:Pzt=式中ArDo式中ArDoE临界压力tMPa；筒体的外直径,mm:筒体的有效壁厚,mm：材料的泊桑比；设计温度下材料的弹性模数,MPa。对于钢制圆筒邛=0.3,则上式可以写成:(5-1)从上面的长圆筒临界压力计算中，我们可以看到：长圆筒的临界压力仅与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之比民/&有关,而与圆筒的长径比〃&无关^由这一临界压力引起的临界应力为；PF） Q/知工±=1=1.1=1.1应变：£=cEt（二）短圆筒丸钢制短圆筒(5-2)式中 L—筒体的计算长度,mm$其他符号同前.从短圆筒临界压力计算公式（5-2）中，可以看到短圆筒的临界压力除与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之比有关外，还与圆筒的长径比工/&有关.由这一临界压力引起的临界应力为： ’（&）L5几%铲=1.3£卫台瓦一Z/D应变£=1.3—e 0-L/D0（三）刚性圆筒五、临界长度和长圆筒、短圆筒、钢性圆筒的定量描述（一）临界长度定义（二）L五、临界长度和长圆筒、短圆筒、钢性圆筒的定量描述（一）临界长度定义（二）L和L'crcr当圆筒处于临界长度当圆筒处于临界长度Lcr时，用长圆筒公式计算所得的临界压力p值和用短圆筒公式计cr算的临界压力p'值应相等，即cr2.2st喑T=2.59,（抖）喑产§同理，当圆筒处于临界长度L'时，用短圆筒公式计算所得的临界压力P值和用刚性圆cr cr2.59E筒公式计算的最大允许工作压力[p]值应相等，即w2.59E2S拈］ e 压D+SIe此时求出的L即为L'cr（三）长圆筒、短圆筒和刚性圆筒的定量描述若某圆筒的计算长度为L，则：L>L 属长圆筒crL'<L<L 属短圆筒cr crL<Lr 属刚性圆筒cr第三节外压圆筒的工程设计设计准则（一）许用外压力p''和稳定安全系数m[]Pcr

p=m[]p」一许用外压力，Mpam—稳定安全系数。对圆筒、锥壳m=3；球壳、椭圆形和碟形封头m=15（二）设计准则计算压力pc-p=m，并接近LpJ外压圆筒壁厚设计的图算法1、算图的由来2、外压圆筒和管子厚度的图算法外压圆筒的试压外压容器和真空容器以内压进行压力试验。试验压力为：液压试验p=1.25pT气压试验p=1.15pT式中P—设计压力，MPa；p-试验压力，MPa；T例题第四节外压球壳与凸形封头的