外壓圓筒與封頭的設計市公開課一等獎省賽課微課金獎課件

2024/5/11第五章外壓圓筒與封頭設計5.1概述5.2臨界壓力5.3外壓圓筒工程設計5.5外壓圓筒加強圈設計5.4外壓球殼與凸形封頭設計第1頁2024/5/115.1.1外壓容器失穩(wěn)1.外壓容器：殼體外部壓力大于殼體內(nèi)部壓力容器實例：減壓精餾塔、真空冷凝器、夾套反應釜等5.1概述第2頁2024/5/112、外壓薄壁容器受力形式：內(nèi)壓薄壁圓筒：拉應力，即σm=PD/4δ，σθ=PD/2δ。外壓薄壁圓筒：壓應力，

失效形式：內(nèi)壓容器：強度破壞；外壓容器：極少因為強度不足發(fā)生破壞，經(jīng)常是因為剛度不足而發(fā)生失穩(wěn)。第3頁2024/5/113、失穩(wěn)及其實質失穩(wěn)：承受外壓載荷殼體，當外壓載荷增大到某一數(shù)值時，殼體會突然失去原來形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸除后，殼體不能恢復原狀，這種現(xiàn)象稱為外壓殼體失穩(wěn)。第4頁2024/5/11

5.1.2容器失穩(wěn)型式分類1、側向失穩(wěn)

容器由均勻側向外壓引發(fā)失穩(wěn)，叫側向失穩(wěn)，特點是失穩(wěn)時，殼體橫斷面由原來圓形變?yōu)椴ㄐ?，波?shù)能夠是兩個、三個、四個……，如圖所表示第5頁2024/5/11

2、軸向失穩(wěn)

容器承受軸向外壓，失穩(wěn)后，依然含有圓形橫截面，母線產(chǎn)生了波形。第6頁2024/5/115.2臨界壓力5.2.1臨界壓力概念

臨界壓力：造成筒體失穩(wěn)最小壓力。以Pcr表示。5.2.2影響臨界壓力原因1、筒體幾何尺寸影響

主要考慮筒體L/D和δ/D。

第7頁2024/5/11表5-1外壓圓筒穩(wěn)定性試驗試驗序號筒徑/mm筒長/mm筒體中間有沒有加強圈壁厚/mm失穩(wěn)時真空度/mm水柱失穩(wěn)時波形數(shù)/個①90175無0.515004②90175無0.33004③90350無0.3120～1503④903501個0.33004比較①和②，L/D相同時，δ/D越大，臨界壓力越高；比較②和③，δ/D相同時，L/D越小，臨界壓力越高；比較③和④，δ/D，L/D相同時，有加強圈，臨界壓力高。第8頁2024/5/11分析：（1）側向失穩(wěn)，圓筒環(huán)向纖維受彎，所以L/D相同時，δ/D越大，筒壁抵抗變形能力越強，臨界壓力越高；（2）封頭剛性較筒體剛性強，所以δ/D相同時，L/D越小，臨界壓力越高；（3）加強圈對圓筒能夠起到支撐作用，所以δ/D，L/D相同時，有加強圈，臨界壓力高。計算長度：指兩相鄰剛性支撐件（加強圈、封頭、法蘭等）間距。

封頭計算長度為凸形封頭1/3凸面高度。第9頁2024/5/115.2臨界壓力2、筒體材料性能影響

圓筒失穩(wěn)時，在絕大多數(shù)情況下，筒壁內(nèi)壓應力并沒有到達材料屈服點（即彈性失穩(wěn)）。故這種情況失穩(wěn)與材料屈服點無關，只與材料彈性模數(shù)E和泊松比μ相關。材料彈性模數(shù)E和泊松比μ越大，其抵抗變形能力就越強，因而其臨界壓力也就越高。不過，因為各種鋼材E和μ值相差不大，所以選取高強度鋼代替普通碳素鋼制造并不能提升筒體臨界壓力。第10頁2024/5/115.2臨界壓力3、筒體橢圓度和材料不均勻性影響（1）穩(wěn)定性破壞并不是因為殼體存在橢圓度或材料不均勻而引發(fā)。不論殼體形狀多么準確，材料多么均勻，當外壓力到達一定數(shù)值時也會失穩(wěn)。（2）不過殼體橢圓度與材料不均勻性能使其臨界壓力數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。橢圓度：e=（Dmax-Dmin）/DN，此處Dmax及Dmin分別為筒體同一橫截面上最大及最小內(nèi)直徑，DN為圓筒公稱直徑。第11頁2024/5/115.2臨界壓力5.2.3長圓筒、短圓筒、鋼性圓筒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δe/D0相關，與L/D0無關2短圓筒L/D0較小

顯著與δe/D0相關，與L/D0相關大于2整數(shù)剛性圓筒L/D0較小δe/D0較大不失穩(wěn)第12頁2024/5/115.2臨界壓力

長圓筒臨界壓力與長度無關，僅與圓筒厚與直徑比值相關。1.長圓筒臨界壓力：2.短圓筒臨界壓力：δe：筒體有效壁厚，mm；

D0：筒體外直徑，mm；

L：筒體計算長度，mm。

短圓筒臨界壓力隨筒體計算長度增加而減小。第13頁2024/5/113、剛性圓筒剛性圓筒不存在彈性失穩(wěn)而破壞問題，只需校核其強度是否足夠。其強度校核公式與計算內(nèi)壓圓筒公式一樣，只是式中許用應力采取材料壓縮許用應力。第14頁2024/5/115.2臨界壓力5.2.5臨界長度1、臨界長度劃分長、短和剛性圓筒之間一個長度標準。外壓圓筒是長圓筒還是短圓筒，可依據(jù)臨界長度Lcr來判定。2、Lcr和Lcr/

當圓筒處于臨界長度Lcr時，用長圓筒公式計算所得臨界壓力值Pcr和用短圓筒公式計算臨界壓力值Pcr/應相等，即第15頁2024/5/115.2臨界壓力

計算長度L＞Lcr時，圓筒為長圓筒計算長度L＜Lcr時，圓筒為短圓筒同理，當圓筒處于臨界長度Lcr′時，用短圓筒公式計算所得臨界壓力值Lcr′和用剛性圓筒公式計算最大允許工作壓力值[Pw]應相等，此時求出L即為Lcr′

。3、長圓筒、短圓筒和剛性圓筒定量描述若某圓筒計算長度為L，則：

L＞Lcr，屬于長圓筒；

Lcr′

＜L＜Lcr，屬于短圓筒；

L＜Lcr′

，

屬于剛性圓筒。第16頁2024/5/11

外壓筒體計算長度L：指筒體上兩個剛性構件如封頭、法蘭、加強圈之間最大距離。對于凸形端蓋：L=