內(nèi)與外壓容器實驗指導(dǎo)書及報告

1、過程設(shè)備設(shè)計課程實驗實驗指導(dǎo)書制定人：楊詩斌審核人：崔政偉江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2015年11月實驗一 內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)力測定實驗一、 實驗?zāi)康模?了解薄壁容器在內(nèi)壓作用下，筒體、錐型封頭、半球封頭、橢圓封頭的應(yīng)力分布情況；驗證薄壁容器相關(guān)應(yīng)力計算的理論公式。2熟悉和掌握電阻應(yīng)變片粘貼技術(shù)的方法和步驟。3掌握用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集測量儀器測量應(yīng)變的原理和操作方法。2 實驗任務(wù)1 列表記載各項數(shù)據(jù)（附表記載內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)變值測定結(jié)果）。2 根據(jù)測定結(jié)果計算出各點壓力時筒體及封頭相關(guān)點的經(jīng)向及環(huán)向應(yīng)力。3. 比較實驗測得的應(yīng)力值與理論值之間的偏差并分析和討論。3、 實驗原理1理論計算（1）根據(jù)薄壁殼體的無力矩

2、理論可以求得受內(nèi)壓的薄壁容器筒體部分的應(yīng)力值：經(jīng)向應(yīng)力（軸向應(yīng)力） 環(huán)向應(yīng)力（周向應(yīng)力） （2）錐形殼體部分的應(yīng)力（相關(guān)尺寸見右圖，=30°） 錐形殼體上經(jīng)向應(yīng)力、周向應(yīng)力與x呈線性關(guān)系，離錐頂越遠(yuǎn)應(yīng)力越大；（3）半球封頭上各點的應(yīng)力=（4）橢圓封頭上各點的應(yīng)力（相關(guān)尺寸見右圖a/b=）在殼體頂點處 ;式中：容器所受內(nèi)壓力（MPa） 容器內(nèi)直徑（mm）容器壁厚（mm） 經(jīng)向應(yīng)力 環(huán)向應(yīng)力2實驗測定：（1）應(yīng)力測定的基本原理：薄壁容器受內(nèi)壓后，器壁各點均處于兩向受力狀態(tài)，當(dāng)其變形在彈性范圍以內(nèi)，容器壁各點的應(yīng)力應(yīng)變符合虎克定律，即：故只要測得容器壁的徑向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，即可根據(jù)虎克定律

3、求得和（304不銹鋼彈性模量和泊松比分別為0.195和0.3）。（2）用電阻應(yīng)力儀測量應(yīng)變的原理：圖1 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)簡圖電阻應(yīng)變測量法是測定壓力容器筒壁應(yīng)變的常用方法之一。其測量裝置由三部分組成：即電阻應(yīng)變片，連接導(dǎo)線和電阻應(yīng)變儀。常用的電阻應(yīng)變片是很細(xì)的金屬電阻絲粘于絕緣的薄紙上而成。見圖一所示，將此電阻片用特殊的膠合劑貼在容器壁欲測之部位。當(dāng)容器受內(nèi)壓作用發(fā)生變形時，電阻絲隨之而變形。電阻絲長度及截面的改變引起其電阻值的相應(yīng)改變，則可以用電阻應(yīng)變儀測出電阻的改變，再換算成應(yīng)變，直接由應(yīng)變儀上讀出。電阻絲的應(yīng)變與電阻的改變有如下的關(guān)系：式中： 電阻絲單位電阻改變 電阻絲單位長度改變（如電阻片與

4、器壁完全一起變形，即無器壁之應(yīng)變。）靈敏系數(shù)，與電阻絲的物理性質(zhì)有關(guān)，對于一定的電阻片而言，為常數(shù)。由于電阻絲的電阻和值對于一定的電阻片為一已知值，故只要測得R（電阻絲電阻改變）就可以求出值。電阻應(yīng)變儀是采用電橋測量原理測出R并換成（即為）的變形量。圖2 電橋測量原理圖簡單的電橋測量原理見圖2. 圖中： 當(dāng)電橋平衡（即檢流計中無電流通過）時： 或 當(dāng)有變動時（如電阻應(yīng)變片電阻絲由于變形而發(fā)生阻值的改變），可調(diào)電阻R改變R后使電橋重新達(dá)到平衡。把R換算成，就可以直接在應(yīng)變儀上讀出。補償電阻用以消除因溫度影響而產(chǎn)生的測量誤差，它與測量電阻阻值相同并在同一溫度條件下，但不承受載荷，故對受溫度影響有補

5、償作用。3、實驗裝置試驗容器的筒體內(nèi)徑為300mm，壁厚為8mm，因加工過程特別是封頭擠壓成型過程中壁厚減薄產(chǎn)生誤差，具體詳細(xì)尺寸如圖3所示： 圖3 筒體結(jié)構(gòu)示意圖4、 實驗方法（步驟）：1了解試驗裝置（包括管路、閥門、容器、壓力自控泵等在實驗裝置中的功能和操作方法）及電阻片粘貼位置，測量電氣線路，轉(zhuǎn)換旋鈕等。2電阻片的粘貼步驟和方法：（1）根據(jù)選擇的測點位置，按筒體的經(jīng)線和緯線方向用劃針或鉛筆劃出測點的位置及方向；以后再用棉球、丙酮等除去污垢。（2）測量電阻應(yīng)變片的電阻值，（電阻應(yīng)變片的電阻值一般為120，相差太多不可用）。（3）開始粘貼應(yīng)變片應(yīng)注意：將泵的泄壓閥門打開保證筒體的壓力為0；粘

6、貼應(yīng)變片的部位需清洗干凈。（4）將“502”膠液均勻分布在電阻片的背面（注意：膠液均均勻涂在電阻片反面，不可太多，引出線須向上）。隨即將電阻片粘貼在欲測部位，并用濾紙墊上，施加接觸壓力要用力平按，擠出貼合面多余膠水及氣泡（注意：電阻絲方向應(yīng)與測量方向一致，即應(yīng)變片方向要保持軸向和周向；用手指按緊一分鐘左右）。（5）在電阻片引出線下墊接線端子（用膠液粘貼），用于電阻應(yīng)變片的引出線和測量導(dǎo)線的焊接連接（測量導(dǎo)線和儀器的連接已由實驗室準(zhǔn)備好）；焊接過程需要絕對保證應(yīng)變片的兩根電阻絲不能短路，且電阻絲與筒體表面絕緣。（6）電阻片的粘貼步驟和方法可由指導(dǎo)教師講清要點和示范粘貼后再進(jìn)行，所有粘貼的電阻片和

7、焊接接線經(jīng)指導(dǎo)教師檢查合格后，再進(jìn)入應(yīng)變測量儀器測量的調(diào)節(jié)步驟。3使用HPJY-100X 靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行測試（1）新建作業(yè)，新建一個作業(yè)準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。（2）參數(shù)設(shè)置，分別將四個模塊均設(shè)置成1/4橋，將彈性模量和泊松比分別設(shè)置為0.195和0.3。（3）控制調(diào)零，調(diào)零后點擊開始采集，觀察各個測（即貼片點）的應(yīng)變值，若應(yīng)變值不接近為零，需要再次調(diào)零。（4）開始采集，點開始鍵，開始對容器加壓，在壓力為1MPa時點擊停止鍵停止，觀察記錄下各個測點（即貼片點）的應(yīng)變值（）和應(yīng)力值（MPa）并保存數(shù)據(jù)，繼續(xù)點開始鍵，對容器加壓力，在2MPa和3MPa時同上處理。5、 注意事項：1 對儀器、工具、

8、藥品等要注意愛惜，節(jié)約使用濾紙、棉球、丙酮、膠水、電阻片等消耗品；實驗結(jié)束后，藥品、工具等要加以整理和清潔。2 應(yīng)變儀屬于精密電子儀器，故在轉(zhuǎn)動開關(guān)及調(diào)節(jié)盤宜時要輕巧緩慢，禁止在尚未熟悉使用儀器前任意撥動開關(guān)。3 實驗準(zhǔn)備及儀器調(diào)試完備，經(jīng)指導(dǎo)老師檢查后方可升壓進(jìn)行測量；測量過程中應(yīng)避免設(shè)備、導(dǎo)線移動，以免引起接觸電阻的改變。4 容器加、減壓應(yīng)緩慢進(jìn)行，待壓力穩(wěn)定后再進(jìn)行測量。5 各組實驗結(jié)果最后須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查并認(rèn)可，整理好儀器設(shè)備，打掃現(xiàn)場方可離開實驗現(xiàn)場。附表： 一、錐形封頭壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）一1軸向2周向二3軸向4周向三5軸向6周向四7軸向8周向二、筒體（

9、錐形封頭）壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）五9軸向10周向六11軸向12周向三、球形封頭壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）一1軸向2周向二3軸向4周向四、筒體（橢圓封頭）壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）三5軸向6周向四7軸向8周向五、橢圓封頭壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）五9軸向10周向?qū)嶒灦?外壓薄壁圓筒形容器失穩(wěn)實驗一、實驗?zāi)康模?. 觀察薄壁圓筒形容器在外壓作用下喪失穩(wěn)定性后的形態(tài)。2. 測定圓筒形容器失去穩(wěn)定性時的臨界壓力并與理論值相比較。二實驗任務(wù)1. 列出測量所得的試件幾何尺寸數(shù)據(jù)。2. 驗算波紋數(shù)。3. 計算容器的臨

10、界壓力并與實測值進(jìn)行比較。4. 討論、分析試驗結(jié)果，分析誤差原因。三、實驗原理：1. 圓筒形容器在外壓作用下，常因剛度不足使容器失去原有形狀，即被壓扁或折曲成波形，這就是容器的失穩(wěn)現(xiàn)象，容器失去穩(wěn)定性時的外壓力，成為容器的臨界壓力，用 表示。圓筒形容器失去穩(wěn)定性后，其橫截面被折成波形，波數(shù)可能是1，2，3，4，等任意整數(shù),如圖一所示。圖一 圓筒形容器失去穩(wěn)定后的形狀容器承受臨界值的外壓力而失去穩(wěn)定性，決非是由于容器殼體本身不圓的緣故，即是絕對圓的殼體也會失去穩(wěn)定性。當(dāng)然如殼體不圓（具有橢圓度）容器更容易失穩(wěn)，即它的臨界壓力值會下降。根據(jù)外壓容器筒體的長短，可分為長圓筒，短圓筒和剛性圓筒三種，剛

11、性圓筒一般具有足夠的剛度，可不必考慮穩(wěn)定性問題。但長圓筒，短圓筒必須進(jìn)行穩(wěn)定性計算，它們的臨界壓力值大小主要與厚壁()，外直徑()，長度（）有關(guān)。亦受材料彈性模數(shù)()，泊桑比()影響。所謂長圓筒，短圓筒之分，并不是指它們的絕對長度，而是與直徑壁厚有關(guān)的相對長度。一般長圓筒、短圓筒之間的劃分用臨界長度表示。如容器長度>為長圓筒，反之為短圓筒。臨界長度由下式確定： 長圓筒：長圓筒失穩(wěn)時的波數(shù)=2，臨界壓力僅與有關(guān)，而與無關(guān)。值可由下式計算： 短圓壁：短圓筒失去穩(wěn)定性時，波數(shù)>2,如為3，4，5，其波數(shù)可近似為： 臨界壓力可由下式計算：對于外壓容器臨界壓力的計算，有時為計算簡便起見，可借

12、助于一些現(xiàn)成的計算圖來進(jìn)行。678912.實驗裝置： 圖二 外壓圓筒失穩(wěn)裝置實驗1-橫梁 2-壓緊螺母 3-密封螺母 4-壓緊法蘭 5-墊片6-外壓圓筒 7-心軸 8-圓筒底墊塊 9-透明容器 10-工作臺1045102344四、實驗方法（步驟）：1. 測量試件的有關(guān)參數(shù)：壁厚()，直徑()，長度（）。用千分卡測壁厚，用游標(biāo)卡尺測內(nèi)直徑（便于精確測量）和長度，外直徑由內(nèi)直徑加壁厚得到。各參數(shù)分別測量兩到三次，計算時取平均值。2. 按圖二所示安裝實驗設(shè)備，先用手搖泵將透明容器內(nèi)的水升至容器的約三份之二處;將外壓圓筒試件6置于平板頂蓋上，試件與平頂蓋間用墊片5密封（試件折邊上下各放一墊片）；用壓緊

13、法蘭4通過四個密封螺母2將試件壓緊到平板頂蓋上。3. 將圓筒底墊塊8 (一大一小) 置于外壓圓筒底部，把用心軸7置于圓筒底墊塊的中心孔中,再將橫梁1壓在心軸7上，通過兩個壓緊螺母2上緊 (用手旋緊既可)；以此抵消試件承受的軸向載荷。4. 打開壓縮機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)好流量，緩慢升壓至試件破壞為止（試件破壞時有輕微的響聲），記下容器的失穩(wěn)壓力（即有輕微響聲時的瞬間壓力,此壓力為臨界壓力）。失穩(wěn)后需快速關(guān)閉壓縮機(jī)開關(guān)。如壓縮機(jī)中途關(guān)閉停機(jī)，重新開機(jī)時須將壓力卸到零方能啟動。5. 打開壓縮機(jī)卸壓開關(guān)，待壓力為零后取出試件，觀察失穩(wěn)后試件的形狀并記下波紋數(shù)。6. 關(guān)閉壓縮機(jī)的電源開關(guān)，清理好實驗備件和工具。五

14、、注意事項：.實驗時施壓過程中緩慢旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣旋鈕，不要說話和走動，眼睛看著壓力表并注意凝聽容器失穩(wěn)瞬間的爆破聲，記住失穩(wěn)瞬間壓力表最高壓力值。過程設(shè)備設(shè)計課程 實驗報告班級 學(xué)號姓名日期江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院過程裝備與控制工程系 實驗報告 實驗一 內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)力測定實驗班級_學(xué)號 _ 姓名 _ 日期_機(jī)臺號_成績_第1部分 預(yù)習(xí) （20分）1.應(yīng)變片由哪幾部分構(gòu)成? 電阻片正面和反面中間絕緣紙的作用是什么?(5分)2.電阻應(yīng)變測量的原理是什么?(5分)3.為什么要用補償片?(5分)4. 緊靠電阻片引出線下粘貼接線端子的目的是什么? 焊接過程需要注意什么?(5分)實驗評定_指導(dǎo)教師_日期_第2部分

15、 報 告 （80分）一. 實驗?zāi)康?3分)二. 實驗裝置、儀器（名稱、型號）（3分） 3 實驗記錄、計算結(jié)果1 各測點的應(yīng)變值（10分）(1) 、錐形封頭壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）一1軸向2周向二3軸向4周向三5軸向6周向四7軸向8周向(2)、筒體（錐形封頭）壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）五9軸向10周向六11軸向12周向(3)、球形封頭壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）一1軸向2周向二3軸向4周向(4)、筒體（橢圓封頭）壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）三5軸向6周向四7軸向8周向(5)、橢圓封頭壓力（）1.02.03.0點

16、號片號方向應(yīng)變值（）五9軸向10周向2.各測點的應(yīng)力值（10分）(1)、錐形封頭壓力（）1.02.03.0點號片號方向一1軸向2周向二3軸向4周向三5軸向6周向四7軸向8周向(2) 、筒體（錐形封頭）壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）五9軸向10周向六11軸向12周向(3)、球形封頭壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）一1軸向2周向二3軸向4周向(4)、筒體（橢圓封頭）壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）三5軸向6周向四7軸向8周向(5)、橢圓封頭壓力（）1.02.03.0點號片號方向應(yīng)變值（）五9軸向10周向3 誤差計算a.計算實驗值與理論值的誤差：（筒

17、體任意2到3點：P=2.0MPa；） （5分）b.計算實驗值與理論值的誤差：（半球任意一點：P=2.0MPa；） （5分）c.計算實驗值與理論值的誤差：（橢圓封頭頂點P=2.0MPa；）（5分）4. 錐形殼體實驗值與理論值的比較和誤差分析（選出一到兩個點，任意壓力等級）；畫出軸向和周向應(yīng)力變化圖，考察錐形殼體上經(jīng)向應(yīng)力、周向應(yīng)力與x的關(guān)系。（共6根曲線，橫坐標(biāo)為距頂點1/4、1/2、3/4的位置，縱坐標(biāo)為應(yīng)力）（12分）5 討論：1 粘貼應(yīng)變片的過程中，需注意哪些？（7分）2 加載和卸載過程中，同一壓力下，同一點的應(yīng)變是否相同，分析其原因。（7分） 實驗報告 實驗二 外壓薄壁圓筒形容器失穩(wěn)實驗班級_學(xué)號_姓名 _ 日期_機(jī)臺號_成績_第1部分 預(yù)習(xí) (20分)1. 圓筒形容器在周向外壓作用下,為什么可能失