外壓圓筒與封頭的設(shè)計

第五章外壓圓筒與封頭的設(shè)計本章重點：失穩(wěn)和臨界壓力的概念；影響臨界壓力的因素；外壓容器的圖算法設(shè)計。本章難點：圖算法的原理。建議學(xué)時：4學(xué)時首先復(fù)習(xí)我們前面曾經(jīng)講過的壓力容器的分類，內(nèi)壓和外壓，已在第四章介紹了內(nèi)壓的強度設(shè)計，今天開始學(xué)習(xí)外壓容器的設(shè)計。第一節(jié)概述一、外壓容器的失穩(wěn)1、外壓容器的定義殼體外部壓力大于內(nèi)部壓力的容器。例圖攪拌反應(yīng)釜。2、外壓薄壁容器的受力PDPD對于薄壁殼體來講，內(nèi)壓薄壁圓筒受的是拉應(yīng)力，即O=4,,o°=c，。而外壓薄m48e25壁圓筒所受的是壓應(yīng)力，這種壓縮應(yīng)力的數(shù)值與內(nèi)壓容器相同，只是改變了應(yīng)力的方向，然而，正是由于方向的改變，使得外壓容器失效形式與內(nèi)壓不同。外壓容器很少因為強度不足發(fā)生破壞，常常是因為剛度不足而發(fā)生失穩(wěn)。下面我們來看看失穩(wěn)的定義。3、失穩(wěn)及其實質(zhì)失穩(wěn)：承受外壓載荷的殼體，當(dāng)外壓載荷增大到某一數(shù)值時，殼體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸除后，殼體不能恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為外壓殼體的失穩(wěn)(Instability)二、容器失穩(wěn)型式的分類1、按受力方向分為側(cè)向失穩(wěn)與軸向失穩(wěn)(容器由均勻側(cè)向外壓引起的失穩(wěn)，叫側(cè)向失穩(wěn)，特點是失穩(wěn)時，殼體橫斷面由原來的圓形變?yōu)椴ㄐ?，波?shù)可以是兩個、三個、四個……，如圖所示)圖5-1外壓圓筒儡向失穩(wěn)后的形狀2、按壓應(yīng)力作用范圍分為整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)第二節(jié)臨界壓力一、臨界壓力的概念殼體失穩(wěn)時所承受的相應(yīng)壓力。殼體在臨界壓力作用下，殼體內(nèi)存在的壓應(yīng)力稱為臨界壓應(yīng)力。二、影響臨界壓力的因素筒體幾何尺寸的影響筒體材料性能的影響圓筒失穩(wěn)時，在絕大多數(shù)情況下，筒壁內(nèi)的壓應(yīng)力并沒有達(dá)到材料的屈服點。（是彈性失穩(wěn)）故這種情況失穩(wěn)與材料的屈服點無關(guān)，只與材料的彈性模數(shù)E和泊松比p有關(guān)。材料的彈性模數(shù)E和泊松比p越大，其抵抗變形的能力就越強，因而其臨界壓力也就越高。但是，由于各種鋼材的E和以值相差不大，所以選用高強度鋼代替一般碳素鋼制造外壓容器，并不能提高筒體的臨界壓力。筒體橢圓度和材料不均勻性的影響1、穩(wěn)定性的破壞并不是由于殼體存在橢圓度或材料不均勻而引起的。無論殼體的形狀多么精確，材料多么均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時也會失穩(wěn)。2、但是殼體的橢圓度與材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。三、長圓筒、短圓筒、鋼性圓筒的定性描述相對幾何尺寸兩端邊界影響臨界壓力失穩(wěn)波形數(shù)長圓筒L/D0較大忽略只與Se/D0有關(guān)，與L/D0無關(guān)2短圓筒L/D0較小顯著與SJD0有關(guān)，與L/D0有關(guān)大于2的整數(shù)剛性圓筒L/Do較小Se/Do較大不失穩(wěn)四、臨界壓力的理論計算公式（一）長圓筒

1.鋼制長圓筒長圓筒的臨界壓力可由圓環(huán)的臨界壓力公式推得，即:Pzt=式中ArDo式中ArDoE臨界壓力tMPa；筒體的外直徑,mm:筒體的有效壁厚,mm：材料的泊桑比；設(shè)計溫度下材料的彈性模數(shù),MPa。對于鋼制圓筒邛=0.3,則上式可以寫成:(5-1)從上面的長圓筒臨界壓力計算中，我們可以看到：長圓筒的臨界壓力僅與圓筒的材料和圓筒的壁厚與直徑之比民/&有關(guān),而與圓筒的長徑比〃&無關(guān)^由這一臨界壓力引起的臨界應(yīng)力為；PF） Q/知工±=1=1.1=1.1應(yīng)變：￡=cEt（二）短圓筒丸鋼制短圓筒(5-2)式中 L—筒體的計算長度,mm$其他符號同前.從短圓筒臨界壓力計算公式（5-2）中，可以看到短圓筒的臨界壓力除與圓筒的材料和圓筒的壁厚與直徑之比有關(guān)外，還與圓筒的長徑比工/&有關(guān).由這一臨界壓力引起的臨界應(yīng)力為： ’（&）L5幾%鏟=1.3￡衛(wèi)臺瓦一Z/D應(yīng)變￡=1.3—e 0-L/D0（三）剛性圓筒五、臨界長度和長圓筒、短圓筒、鋼性圓筒的定量描述（一）臨界長度定義（二）L五、臨界長度和長圓筒、短圓筒、鋼性圓筒的定量描述（一）臨界長度定義（二）L和L'crcr當(dāng)圓筒處于臨界長度當(dāng)圓筒處于臨界長度Lcr時，用長圓筒公式計算所得的臨界壓力p值和用短圓筒公式計cr算的臨界壓力p'值應(yīng)相等，即cr2.2st喑T=2.59,（抖）喑產(chǎn)§同理，當(dāng)圓筒處于臨界長度L'時，用短圓筒公式計算所得的臨界壓力P值和用剛性圓cr cr2.59E筒公式計算的最大允許工作壓力[p]值應(yīng)相等，即w2.59E2S拈］ e 壓D+SIe此時求出的L即為L'cr（三）長圓筒、短圓筒和剛性圓筒的定量描述若某圓筒的計算長度為L，則：L>L 屬長圓筒crL'<L<L 屬短圓筒cr crL<Lr 屬剛性圓筒cr第三節(jié)外壓圓筒的工程設(shè)計設(shè)計準(zhǔn)則（一）許用外壓力p''和穩(wěn)定安全系數(shù)m[]Pcr

p=m[]p」一許用外壓力，Mpam—穩(wěn)定安全系數(shù)。對圓筒、錐殼m=3；球殼、橢圓形和碟形封頭m=15（二）設(shè)計準(zhǔn)則計算壓力pc-p=m，并接近LpJ外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法1、算圖的由來2、外壓圓筒和管子厚度的圖算法外壓圓筒的試壓外壓容器和真空容器以內(nèi)壓進(jìn)行壓力試驗。試驗壓力為：液壓試驗p=1.25pT氣壓試驗p=1.15pT式中P—設(shè)計壓力，MPa；p-試驗壓力，MPa；T例題第四節(jié)外壓球殼與凸形封頭的