第13章 外壓容器設(shè)計(jì)

1、13.1 概概 述述 兩端受拉的桿件，當(dāng)受到橫向力作用使之彎曲后，若兩端受拉的桿件，當(dāng)受到橫向力作用使之彎曲后，若 橫向外力撤去后，拉桿會(huì)在兩端拉力作用下恢復(fù)直線橫向外力撤去后，拉桿會(huì)在兩端拉力作用下恢復(fù)直線 狀態(tài)，故此，狀態(tài)，故此，只會(huì)因強(qiáng)度不足而破壞，不會(huì)因無只會(huì)因強(qiáng)度不足而破壞，不會(huì)因無 法維持直線狀態(tài)而不能工作。法維持直線狀態(tài)而不能工作。 第第13章章 外壓容器設(shè)計(jì)外壓容器設(shè)計(jì) 按按GB150鋼制壓力容器鋼制壓力容器設(shè)計(jì)，不要求有設(shè)計(jì)資格。設(shè)計(jì)，不要求有設(shè)計(jì)資格。 壓桿的失穩(wěn)壓桿的失穩(wěn) 桿件失穩(wěn)示意圖桿件失穩(wěn)示意圖 失穩(wěn)前失穩(wěn)前失穩(wěn)后失穩(wěn)后 當(dāng)壓力增加到超過一定當(dāng)壓力增加到超過一定 值

2、時(shí)，一旦受到橫向載值時(shí)，一旦受到橫向載 荷作用而變形后，即使荷作用而變形后，即使 橫向載荷被撤除，壓桿橫向載荷被撤除，壓桿 也無法再恢復(fù)其原有的也無法再恢復(fù)其原有的 直線狀態(tài)。通常在力學(xué)直線狀態(tài)。通常在力學(xué) 上把桿件的這種上把桿件的這種無法保無法保 持原有直線形狀的狀態(tài)持原有直線形狀的狀態(tài) 稱為稱為“失穩(wěn)失穩(wěn)”。 若將兩端的若將兩端的拉力改為壓力拉力改為壓力: 對(duì)于壓桿的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，主要是確定臨界壓力數(shù)值對(duì)于壓桿的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，主要是確定臨界壓力數(shù)值 （開始失穩(wěn)的對(duì)應(yīng)壓力），并據(jù)此確定應(yīng)控制的工作（開始失穩(wěn)的對(duì)應(yīng)壓力），并據(jù)此確定應(yīng)控制的工作 載荷，以確保壓桿不會(huì)失穩(wěn)。載荷，以確保壓桿不會(huì)失穩(wěn)。

3、 13.1.1 外壓容器的失穩(wěn)外壓容器的失穩(wěn) 對(duì)于易失穩(wěn)的構(gòu)件，往往失去原有形狀成為無法工作的對(duì)于易失穩(wěn)的構(gòu)件，往往失去原有形狀成為無法工作的 主要原因，而通常其強(qiáng)度還遠(yuǎn)未達(dá)到材料的屈服程度。主要原因，而通常其強(qiáng)度還遠(yuǎn)未達(dá)到材料的屈服程度。 2 pD 這種在這種在外壓作用下殼體突然被壓癟外壓作用下殼體突然被壓癟 （即（即突然失去自身原來形狀）突然失去自身原來形狀）的現(xiàn)象的現(xiàn)象 稱為容器的失穩(wěn)稱為容器的失穩(wěn)。 圓筒失穩(wěn)的類型有：整體失穩(wěn)（圓筒失穩(wěn)的類型有：整體失穩(wěn)（周向失穩(wěn)、軸向失周向失穩(wěn)、軸向失 穩(wěn)）、穩(wěn)）、局部失穩(wěn)。局部失穩(wěn)。 容器失穩(wěn)容器失穩(wěn) 彈性失穩(wěn)彈性失穩(wěn) 彈塑性失穩(wěn)彈塑性失穩(wěn) 筒體的

4、筒體的L/D較小，較小， e /D較大，即剛性好，筒體失較大，即剛性好，筒體失 效形式為效形式為壓縮強(qiáng)度破壞。壓縮強(qiáng)度破壞。 實(shí)驗(yàn)表明，薄壁圓筒的臨界壓力與材料的屈服極限無實(shí)驗(yàn)表明，薄壁圓筒的臨界壓力與材料的屈服極限無 關(guān)，而與材料的彈性模量關(guān)，而與材料的彈性模量E和泊松比和泊松比 有關(guān)。有關(guān)。 E 、 值值 較大的材料抵抗變形的能力較強(qiáng)，其臨界壓力較高較大的材料抵抗變形的能力較強(qiáng)，其臨界壓力較高。 13.2 外壓圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算外壓圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算 臨界壓力臨界壓力pcr是外壓容器設(shè)計(jì)中的重要概念，求出是外壓容器設(shè)計(jì)中的重要概念，求出pcr后就可得到后就可得到 許用壓力許用壓力p。 13.1

5、 長圓筒的臨界壓力長圓筒的臨界壓力 根據(jù)圓環(huán)變形的幾何關(guān)系和靜力平衡關(guān)系得出圓環(huán)失 穩(wěn)時(shí)的臨界壓力 cr 3 3EJ p R (13-1) 式中，pcr為圓環(huán)的臨界壓力(MPa)；EJ為圓環(huán)的抗彎剛度，其 中E為圓環(huán)材料的彈性模量，J為圓環(huán)截面的軸慣性矩；R為圓 環(huán)的平均半徑。 3 2 2 () 1 e cr E pMPa D 用圓筒的抗彎剛度用圓筒的抗彎剛度 2 (1)DEJ 代替式代替式(13-1)中圓環(huán)的抗彎剛度中圓環(huán)的抗彎剛度EJ，即得長圓筒的臨界，即得長圓筒的臨界 壓力計(jì)算式壓力計(jì)算式 cr 323 33 (1) DEJ p RR (13-2) 3 e 12J 將將 代入式代入式(1

6、3-2)，得，得 (13-3) 3 2.2 () e cr pEMPa D 對(duì)鋼制容器，對(duì)鋼制容器， =0.3，則有，則有 由此可見，長圓筒的臨界壓力只與圓筒的材料以及圓由此可見，長圓筒的臨界壓力只與圓筒的材料以及圓 筒的有效厚度與直徑之比筒的有效厚度與直徑之比 e /D有關(guān)，有關(guān)， 這一臨界壓力引起的臨界周向壓應(yīng)力為這一臨界壓力引起的臨界周向壓應(yīng)力為 2 1.1 () 2 cre cr e p D EMPa D 式（式（13-4）僅適合于）僅適合于 ，即彈性失穩(wěn)。，即彈性失穩(wěn)。 crs (13-4) (13-5) 考慮兩端邊界的影響，考慮兩端邊界的影響，Mises導(dǎo)出公式（導(dǎo)出公式（13-6

7、） 13.2.2 短圓筒的臨界壓力短圓筒的臨界壓力 (13-6) 式中，n為波數(shù)；L為筒體計(jì)算長度。 22 22 2 2 2 2 22 22 2 2 2 1 12 1 121 1 1 1 R Ln n n R R Ln n R E P ee cr 2.5 2.59 () / e cr E pMPa L DD 由公式可知：短圓筒的臨界壓力除與圓筒的材料和由公式可知：短圓筒的臨界壓力除與圓筒的材料和 圓筒的有效厚度與直徑之比圓筒的有效厚度與直徑之比 e /D有關(guān)外，有關(guān)外， 。 拉姆公式拉姆公式工程中采用近似方法 (13-7) 短圓筒的臨界周向壓應(yīng)力為：短圓筒的臨界周向壓應(yīng)力為： 1.5 1.3

8、2 cre cr e p DE MPa L DD 式（式（13-7）僅適合于）僅適合于 ，即彈性失穩(wěn)。，即彈性失穩(wěn)。 crs (13-8) 臨界長度臨界長度Lcr可由長、短圓筒的臨界壓力可由長、短圓筒的臨界壓力pcr計(jì)算式導(dǎo)計(jì)算式導(dǎo) 出。因短圓筒的出。因短圓筒的pcr隨隨L/D增大而減小，當(dāng)增大而減小，當(dāng)L/D= Lcr/D 時(shí)，封頭對(duì)筒體的支撐作用消失，這時(shí)短圓筒則變時(shí)，封頭對(duì)筒體的支撐作用消失，這時(shí)短圓筒則變 成了長圓筒。成了長圓筒。 Lcr既然是長短圓筒的分界線，那么兩既然是長短圓筒的分界線，那么兩 種圓筒在分界點(diǎn)處算得的臨界壓力值應(yīng)相等，所以，種圓筒在分界點(diǎn)處算得的臨界壓力值應(yīng)相等，所

9、以， 由由pcr短 短= pcr長長 3 )(2 . 2 D E e 5 . 2 )( / 6 . 2 DDL E e = 可推得：可推得： 1.17 o o cr e D LDmm 當(dāng)當(dāng)L Lcr時(shí)時(shí),用短圓筒公式計(jì)算用短圓筒公式計(jì)算pcr 當(dāng)當(dāng)L Lcr時(shí)時(shí),用長圓筒公式計(jì)算用長圓筒公式計(jì)算pcr (13-9) 為了留有一定的安全裕量，令筒體的許用壓力為了留有一定的安全裕量，令筒體的許用壓力p等等 于臨界壓力于臨界壓力pcr的的1/m，則計(jì)算外壓，則計(jì)算外壓pc只能小于或等只能小于或等 于于p，即：，即： 13.3 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算 cr c p ppMPa m 式中式

10、中 m穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)GB150鋼制壓力容鋼制壓力容 器器，取，取m=3。 (13-10) 許用壓力許用壓力: 3 2.2 () e o E p mD 13.3.1 解析法解析法 3 0 2.2 c mp Dmm E 計(jì)算厚度：計(jì)算厚度： 3 2.2 () e cr o pE D 臨界壓力臨界壓力: ：將：將長圓筒的長圓筒的pcr代入代入 cr c p ppMPa m 令令p=pc，則計(jì)算厚度為：，則計(jì)算厚度為： 式中式中D用用Do代替代替 e ee cr DLD E DDL E p 00 2 5 . 2 00 59. 2 )( / 59. 2 許用壓力許用壓力: 2 00 2.5

11、9 e e E p mLDD ： 臨界壓力臨界壓力: 令令p=pc，則計(jì)算厚度為：，則計(jì)算厚度為： 0.4 0 0 () 2.59 c mp L Dmm ED 用解析法可以求許用外壓用解析法可以求許用外壓p ，也可求計(jì)算厚度，也可求計(jì)算厚度。 以上方法只適用于以上方法只適用于的設(shè)計(jì)計(jì)算。但在設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。但在設(shè)計(jì) 之前是無法判別是否為彈性失穩(wěn)的，這時(shí)就必須用之前是無法判別是否為彈性失穩(wěn)的，這時(shí)就必須用 。不管是彈性失穩(wěn)還不管是彈性失穩(wěn)還 是非彈性失穩(wěn)，圖算法都能適用。是非彈性失穩(wěn)，圖算法都能適用。 1. 算圖的制作算圖的制作 3 2.2 () e cr o pE D (1) 圖圖13.6 ：

12、幾何參數(shù)圖：幾何參數(shù)圖 2.5 2.59 () / e cr o o E p L DD D用用Do代替代替 短圓筒短圓筒 長圓筒長圓筒 統(tǒng)一為統(tǒng)一為 3 () e cr o pKE D 長圓筒：長圓筒：K=2.2， K稱為特征系數(shù)稱為特征系數(shù): 短圓筒：短圓筒：K=f(L/Do, Do/e) 臨界應(yīng)力：臨界應(yīng)力： 2 () 22 o cre cr o e p DKE D 臨界應(yīng)變臨界應(yīng)變: 2 (), 2 o cre cr oo e KLD Af EDD (13-11) (13-12) (13-13) L/Do A Do/e 圖圖13.6 把把(13-13)畫成圖畫成圖13.6 圖中的直線對(duì)應(yīng)

13、于長圓筒，斜線圖中的直線對(duì)應(yīng)于長圓筒，斜線 對(duì)應(yīng)于短圓筒，對(duì)應(yīng)于短圓筒，該圖與彈性模量該圖與彈性模量 無關(guān)，適用于各種材料無關(guān)，適用于各種材料。根據(jù)筒。根據(jù)筒 體的體的L/Do, Do/e由圖由圖13.6可查出臨可查出臨 界應(yīng)變界應(yīng)變A。（長圓筒失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)。（長圓筒失穩(wěn)時(shí)的應(yīng) 變變A與與L/Do無關(guān)無關(guān)） 由由 e o e o e o cr cr DpDpmDp 2 3 22 得得 o e o e cr D B D p 3 2 (2) 圖圖13.713.9 ：AB關(guān)系圖關(guān)系圖 即即 22 33 cr e o BAE pB D 將應(yīng)力將應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖的縱坐應(yīng)變曲線圖的縱坐 標(biāo)乘以標(biāo)乘以2/3，

14、就得到了，就得到了AB 關(guān)系圖。直線部分對(duì)應(yīng)彈關(guān)系圖。直線部分對(duì)應(yīng)彈 性范圍，曲線部分對(duì)應(yīng)非性范圍，曲線部分對(duì)應(yīng)非 彈性范圍，彈性范圍，故該圖對(duì)彈性、故該圖對(duì)彈性、 非彈性失穩(wěn)都適用。非彈性失穩(wěn)都適用。 B A t 圖圖13.79 由由A查出查出B后，就可用（后，就可用（13-16）式求出許用外壓）式求出許用外壓p。 (13-15) (13-16) L/Do A Do/e 圖圖13.10 B A t （1）Do/e20的圓筒和管子的圓筒和管子 （僅需進(jìn)行穩(wěn)定性校核）（僅需進(jìn)行穩(wěn)定性校核） （a）假設(shè)）假設(shè)n，求，求e=n -c、L/ Do、Do/e ； （b）由）由L/ Do及及Do/e 從圖

15、從圖 13.6查出查出A，若，若L/ Do大于大于 50，則用，則用L/ Do =50查圖，查圖， 若若L/ Do小于小于0.05，則用，則用L/ Do = 0.05 查圖；查圖； 50.0 0.05 （c）由）由A按所用材料和設(shè)計(jì)溫度從圖按所用材料和設(shè)計(jì)溫度從圖13.79中查到中查到B， 用（用（13-16）計(jì)算）計(jì)算p；若；若A值落在材料線的左方，則直接值落在材料線的左方，則直接 用（用（13-17）計(jì)算）計(jì)算p（實(shí)際上，只要（實(shí)際上，只要A落在直線段上就可落在直線段上就可 用（用（13-17）直接求）直接求p）。）。 2 () 3 e o AE p D （d）比較）比較pc與與p，若，若

16、pc p ,需再設(shè)需再設(shè)n， 重復(fù)上述計(jì)重復(fù)上述計(jì) 算步驟，直到算步驟，直到p大于大于為止為止 。 (13-17) 2/ 1 . 1 eoD A （a）用與）用與Do/e 20 時(shí)相同的步驟得到時(shí)相同的步驟得到B值。值。 但但Do/e0.1時(shí)，取時(shí)，取A=0.1。 (13-18) （b）按下式計(jì)算）按下式計(jì)算p1和和p2 ，并取較小值為，并取較小值為 p 。 1 2 2.25 0.0625 21 1 o e o oo ee pB D p DD （c） p應(yīng)大于或等于應(yīng)大于或等于pc ，否則，否則 ,需再設(shè)需再設(shè)n， 重復(fù)上述計(jì)重復(fù)上述計(jì) 算步驟，直到算步驟，直到p大于大于且接近且接近pc為止為

17、止 。 9 . 0,2min t s t o 式中：式中： (13-20) (13-19) 3. 設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù) 1) 設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力p與計(jì)算壓力與計(jì)算壓力pc 對(duì)外壓容器，對(duì)外壓容器，p取不小于正常工作過程中可能產(chǎn)生取不小于正常工作過程中可能產(chǎn)生 的最大內(nèi)外壓力差。的最大內(nèi)外壓力差。 設(shè)有安全控制設(shè)有安全控制 裝置時(shí)裝置時(shí) 1.25倍最大倍最大 內(nèi)外壓差內(nèi)外壓差 0.1MPa 較較 小小 值值 無安全裝置，取無安全裝置，取0.1MPa 無無 夾夾 套套 有有 夾夾 套套 真真 空空 容容 器器 夾套內(nèi)為真空的夾套壁夾套內(nèi)為真空的夾套壁(內(nèi)筒為內(nèi)壓內(nèi)筒為內(nèi)壓)：按按 無夾套真空容器選取無夾

18、套真空容器選取 夾套內(nèi)為內(nèi)壓的夾套內(nèi)為內(nèi)壓的：取無夾套：取無夾套 真空容器設(shè)計(jì)壓力，再加上夾套內(nèi)壓力；真空容器設(shè)計(jì)壓力，再加上夾套內(nèi)壓力； 2) 計(jì)算長度計(jì)算長度L 計(jì)算長度計(jì)算長度L指兩個(gè)剛性構(gòu)件之間的距離。封頭、法蘭、指兩個(gè)剛性構(gòu)件之間的距離。封頭、法蘭、 加強(qiáng)圈均可視為剛性構(gòu)件。對(duì)于凸形封頭，要計(jì)入直加強(qiáng)圈均可視為剛性構(gòu)件。對(duì)于凸形封頭，要計(jì)入直 邊高度和封頭曲面深度的邊高度和封頭曲面深度的1/3。 H LL H/3 D0 計(jì)算壓力計(jì)算壓力 pc與內(nèi)壓容器的定義一樣。與內(nèi)壓容器的定義一樣。 3) 試驗(yàn)壓力試驗(yàn)壓力pT 按內(nèi)壓容器進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為按內(nèi)壓容器進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為

19、液壓時(shí)：液壓時(shí)： pT =1.25p 氣壓時(shí)：氣壓時(shí)： pT =1.15p 壓力試驗(yàn)前，應(yīng)按下式校核圓筒應(yīng)力：壓力試驗(yàn)前，應(yīng)按下式校核圓筒應(yīng)力： 0.9 0.8 2 t s t s e i T T e pD 液壓液壓 氣壓氣壓 (13-23) (13-24) 13.4 外壓封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算外壓封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算 主要介紹半球形和橢圓形封頭的設(shè)計(jì)。主要介紹半球形和橢圓形封頭的設(shè)計(jì)。 2 2 2 () 3 1 e cr E p R 13.4.1 外壓凸形封頭外壓凸形封頭 對(duì)于鋼材，對(duì)于鋼材，=0.3，并用并用Ro代替代替R，則則 2 1.2 () e cr o pE R 取取 m=14.52，得球殼許用

20、壓力，得球殼許用壓力 2 2 1.20.0833 () 14.52 cre o o e pEE p mR R 將將 及（及（13-27）代入上式得：）代入上式得： e o Rp B 借助于外壓筒體的圖算法，取借助于外壓筒體的圖算法，取 0.125 oe A R EAB 3 2 半球形封頭的圖算法半球形封頭的圖算法 （a）假設(shè)）假設(shè)n，求，求e = n -c、Ro/e； （b）用（）用（13-29）計(jì)算系數(shù)）計(jì)算系數(shù)A； （c）由）由A按所用材料和設(shè)計(jì)溫度從圖按所用材料和設(shè)計(jì)溫度從圖13.79中查到中查到B 具體步驟：具體步驟： eoR B p 2 0.0833 o e E p R 用用 計(jì)算計(jì)

21、算p；若；若A值落在材料線的值落在材料線的 左方，則直接用（左方，則直接用（13-27）計(jì)算）計(jì)算p 。 （d）p應(yīng)大于或等于應(yīng)大于或等于pc ，否則再設(shè)，否則再設(shè)n，重復(fù)上述計(jì)，重復(fù)上述計(jì) 算步驟，直到算步驟，直到p大于且接近大于且接近pc為止為止 。 計(jì)算步驟和公式與半球形封頭相同，不同之處是計(jì)算步驟和公式與半球形封頭相同，不同之處是 Ro為封頭的當(dāng)量球殼外半徑，為封頭的當(dāng)量球殼外半徑， Ro=K1Do，K1見表見表13-1。 3 )(2 . 2 o e cr D Ep 只與圓筒的材料以及圓筒的有效厚度與直徑之比只與圓筒的材料以及圓筒的有效厚度與直徑之比 e /Do 有關(guān)有關(guān)，而與圓筒的長

22、徑比，而與圓筒的長徑比L/Do無關(guān)無關(guān)。 除了與圓筒的材料和圓筒的有效厚度與直徑之比除了與圓筒的材料和圓筒的有效厚度與直徑之比 e /Do 有關(guān)有關(guān)外，還與圓筒的長徑比外，還與圓筒的長徑比L/Do有關(guān)有關(guān)。 5 . 2 )( / 59. 2 o e o cr DDL E p 13.5 加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)加強(qiáng)圈設(shè)計(jì) 長圓筒的臨界壓力長圓筒的臨界壓力 短圓筒的臨界壓力短圓筒的臨界壓力 設(shè)計(jì)外壓圓筒時(shí)，在計(jì)算過程中，若許用外壓力設(shè)計(jì)外壓圓筒時(shí)，在計(jì)算過程中，若許用外壓力p小小 于計(jì)算外壓力于計(jì)算外壓力pc，則必須，則必須增加圓筒的厚度或縮短圓筒增加圓筒的厚度或縮短圓筒 的計(jì)算長度的計(jì)算長度。從短圓筒的臨界壓

23、力計(jì)算式可見，當(dāng)圓。從短圓筒的臨界壓力計(jì)算式可見，當(dāng)圓 筒的直徑和厚度不變時(shí)，減少圓筒的計(jì)算長度可以提筒的直徑和厚度不變時(shí)，減少圓筒的計(jì)算長度可以提 高臨界壓力，從而提高許用操作外壓力。高臨界壓力，從而提高許用操作外壓力。 5 . 2 )( / 59. 2 o e o cr DDL E p 外壓圓筒的計(jì)算長度外壓圓筒的計(jì)算長度L指兩個(gè)剛性構(gòu)件（封指兩個(gè)剛性構(gòu)件（封 頭、法蘭、加強(qiáng)圈均可視為剛性構(gòu)件）之頭、法蘭、加強(qiáng)圈均可視為剛性構(gòu)件）之 間的距離（間的距離（前已提及）。 LL H/3 H D0 從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看，用增加厚度的辦法來提高圓筒的從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看，用增加厚度的辦法來提高圓筒的 許用外壓力

24、是不合算的，合適的辦法是在外壓圓筒許用外壓力是不合算的，合適的辦法是在外壓圓筒 的外部或內(nèi)部裝幾道加強(qiáng)圈，以縮短圓筒的計(jì)算長的外部或內(nèi)部裝幾道加強(qiáng)圈，以縮短圓筒的計(jì)算長 度，增加圓筒的剛性。度，增加圓筒的剛性。 特別是特別是當(dāng)外壓圓筒需要用不銹鋼或其它貴重金屬制造時(shí)，當(dāng)外壓圓筒需要用不銹鋼或其它貴重金屬制造時(shí)， 則通過在圓筒外部設(shè)置碳鋼制成的加強(qiáng)圈可以減小貴重則通過在圓筒外部設(shè)置碳鋼制成的加強(qiáng)圈可以減小貴重 金屬的消耗。金屬的消耗。 另外，另外，當(dāng)現(xiàn)有設(shè)備因操作條件改變而不能滿足要求時(shí)，當(dāng)現(xiàn)有設(shè)備因操作條件改變而不能滿足要求時(shí)， 增加壁厚是不可能的，設(shè)置加強(qiáng)圈減小增加壁厚是不可能的，設(shè)置加強(qiáng)圈

25、減小L則方便易行。則方便易行。 所以，采用加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)在外壓圓筒的設(shè)計(jì)上廣泛應(yīng)用。所以，采用加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)在外壓圓筒的設(shè)計(jì)上廣泛應(yīng)用。 加強(qiáng)圈應(yīng)有足夠的剛性，通常采用扁鋼、角鋼、工字鋼加強(qiáng)圈應(yīng)有足夠的剛性，通常采用扁鋼、角鋼、工字鋼 或其它型鋼間斷地焊接在筒體上，因?yàn)樾弯摻孛鎽T性矩或其它型鋼間斷地焊接在筒體上，因?yàn)樾弯摻孛鎽T性矩 較大，剛性較好。較大，剛性較好。 見下圖：見下圖： L / eo Dc p 基本要求：為使加強(qiáng)圈真正起到加強(qiáng)作用，兩加基本要求：為使加強(qiáng)圈真正起到加強(qiáng)作用，兩加 強(qiáng)圈之間的最大距離必須保證筒體為短圓筒。根強(qiáng)圈之間的最大距離必須保證筒體為短圓筒。根 據(jù)短圓筒的臨界壓力計(jì)算式：

26、據(jù)短圓筒的臨界壓力計(jì)算式： 5 . 2 )( / 59. 2 o e o cr DDL E p 將計(jì)算壓力將計(jì)算壓力 中代入后，取等號(hào)中代入后，取等號(hào) 可推出加強(qiáng)圈的最大間距：可推出加強(qiáng)圈的最大間距： m p pp cr c cr p 2.5 0 max 0 2.59 ()1332 e c ED L mpD 當(dāng)加強(qiáng)圈是均勻分布時(shí)，筒體所需設(shè)置的加強(qiáng)圈當(dāng)加強(qiáng)圈是均勻分布時(shí)，筒體所需設(shè)置的加強(qiáng)圈 數(shù)為：數(shù)為： 1 max L L n (13-33) 將將n圓整為整數(shù)值后，相鄰加強(qiáng)圈間的距離為圓整為整數(shù)值后，相鄰加強(qiáng)圈間的距離為 1 s L L n (13-34) 加強(qiáng)圈的尺寸，必須確保加強(qiáng)圈與筒體

27、組合后的截加強(qiáng)圈的尺寸，必須確保加強(qiáng)圈與筒體組合后的截 面慣性矩足夠大，即必須要有足夠的剛性和慣性矩。面慣性矩足夠大，即必須要有足夠的剛性和慣性矩。 筒體上以筒體上以 為間距為間距設(shè)置加強(qiáng)圈后，加強(qiáng)圈與筒體的設(shè)置加強(qiáng)圈后，加強(qiáng)圈與筒體的 有效段共同承受加強(qiáng)圈兩側(cè)各有效段共同承受加強(qiáng)圈兩側(cè)各 范圍內(nèi)的外壓載范圍內(nèi)的外壓載 荷，設(shè)計(jì)時(shí)將加強(qiáng)圈與筒體視為一單層筒體，其厚荷，設(shè)計(jì)時(shí)將加強(qiáng)圈與筒體視為一單層筒體，其厚 度稱為當(dāng)量厚度，用度稱為當(dāng)量厚度，用 表示表示 s L s 1 2 L y 圖13.14 每個(gè)加強(qiáng)圈所承受的載荷 s ye s A L (13-35) e s A 式中式中 為筒體的有效厚

28、度，為筒體的有效厚度，mm； 為加強(qiáng)圈的橫截面積，為加強(qiáng)圈的橫截面積，mm2。 有效段筒體的截面積有效段筒體的截面積Ae為為 ee 2Ab (13-36) 式中，式中，b為圓筒有效寬度，為圓筒有效寬度， oe 0.55bDmm 經(jīng)理論分析并考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，筒體有效段和加經(jīng)理論分析并考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，筒體有效段和加 強(qiáng)圈穩(wěn)定所需要的組合截面慣性矩強(qiáng)圈穩(wěn)定所需要的組合截面慣性矩I為為 2 osess () 10.9 D LA L IA (13-37) 式中，式中，A為當(dāng)量厚度圓筒失穩(wěn)時(shí)的周向臨界應(yīng)變。為當(dāng)量厚度圓筒失穩(wěn)時(shí)的周向臨界應(yīng)變。 加強(qiáng)圈與圓筒有效段實(shí)際所具有的組合慣性矩加強(qiáng)圈與圓筒有

29、效段實(shí)際所具有的組合慣性矩Is 22 s1s2e ()IIA caIA a (13-38) 為加強(qiáng)圈對(duì)其形心軸為加強(qiáng)圈對(duì)其形心軸的慣性矩，的慣性矩，mm4； 為圓筒有效段對(duì)其形心軸為圓筒有效段對(duì)其形心軸的慣性矩，的慣性矩，mm4； 為組合截面形心軸為組合截面形心軸至圓筒有效段形心軸至圓筒有效段形心軸的距離，的距離， mm； 為加強(qiáng)圈截面形心軸為加強(qiáng)圈截面形心軸至圓筒有效段形心軸至圓筒有效段形心軸的的 距離，距離，mm。 式中，式中， 為加強(qiáng)圈與圓為加強(qiáng)圈與圓 筒有效段的組合截面筒有效段的組合截面 對(duì)其形心軸對(duì)其形心軸的組合的組合 慣性矩，慣性矩，mm4； 22 s1s2e ()IIA caIA

30、 a (13-38) 3.加強(qiáng)圈圖算法的設(shè)計(jì)步驟加強(qiáng)圈圖算法的設(shè)計(jì)步驟 (1)假設(shè)加強(qiáng)圈的個(gè)數(shù)與間距假設(shè)加強(qiáng)圈的個(gè)數(shù)與間距Ls，選擇加強(qiáng)圈尺寸，選擇加強(qiáng)圈尺寸， 計(jì)算或由手冊查得計(jì)算或由手冊查得As，并計(jì)算加強(qiáng)圈與筒體有效段，并計(jì)算加強(qiáng)圈與筒體有效段 實(shí)際所具有的組合慣性矩實(shí)際所具有的組合慣性矩Is； (2) 根據(jù)已知的根據(jù)已知的Pc、Do和選擇的和選擇的e、Ls，按下式計(jì)算，按下式計(jì)算 當(dāng)量厚度圓筒周向失穩(wěn)時(shí)的當(dāng)量厚度圓筒周向失穩(wěn)時(shí)的B值值 co ess p D B A L (13-39) (3) 按相應(yīng)材料的厚度計(jì)算圖按相應(yīng)材料的厚度計(jì)算圖13.7至圖至圖13.9，從圖的右方，從圖的右方

31、找到上述計(jì)算的找到上述計(jì)算的B值，由此點(diǎn)沿水平方向左移，與相值，由此點(diǎn)沿水平方向左移，與相 應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下的材料溫度線相交，再從交點(diǎn)垂直下應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下的材料溫度線相交，再從交點(diǎn)垂直下 移查取移查取A值。若與材料溫度線無交點(diǎn)，則按式值。若與材料溫度線無交點(diǎn)，則按式(13-40) 計(jì)算計(jì)算A值值 3 2 B A E (13-40) (4) 把查得的把查得的A值代入式值代入式(13-37)中，求得所需的組合截中，求得所需的組合截 面最小慣性矩面最小慣性矩I； (5) 比較比較Is和和I，若，若Is大于并接近于大于并接近于I，則滿足要求，否則，則滿足要求，否則 應(yīng)重新選擇加強(qiáng)圈尺寸，重復(fù)上述計(jì)算，直至滿

32、足應(yīng)重新選擇加強(qiáng)圈尺寸，重復(fù)上述計(jì)算，直至滿足 要求為止。要求為止。 本本 章章 小小 結(jié)結(jié) 學(xué)習(xí)本章內(nèi)容要特別注意將外壓殼體的穩(wěn)定性計(jì)算學(xué)習(xí)本章內(nèi)容要特別注意將外壓殼體的穩(wěn)定性計(jì)算 與內(nèi)壓殼體的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行比較，并且通過對(duì)比得與內(nèi)壓殼體的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行比較，并且通過對(duì)比得 出有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論。出有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論。 1. 外壓筒體處于外壓筒體處于壓縮應(yīng)力壓縮應(yīng)力狀態(tài)，可能出現(xiàn)的兩種失狀態(tài)，可能出現(xiàn)的兩種失 效形式是壓縮屈服破壞和失穩(wěn)破壞，其中效形式是壓縮屈服破壞和失穩(wěn)破壞，其中失穩(wěn)破壞失穩(wěn)破壞 是外壓薄壁筒體的主要失效形式。是外壓薄壁筒體的主要失效形式。筒體失穩(wěn)時(shí)器壁筒體失穩(wěn)時(shí)器壁 中的壓應(yīng)力低

33、于材料的屈服極限則稱為彈性失穩(wěn)，中的壓應(yīng)力低于材料的屈服極限則稱為彈性失穩(wěn)， 反之為非彈性失穩(wěn)。反之為非彈性失穩(wěn)。 2. 使筒體發(fā)生失穩(wěn)的最小外壓力稱為臨界壓力使筒體發(fā)生失穩(wěn)的最小外壓力稱為臨界壓力pcr， 其主要影響因素有：其主要影響因素有： （1）筒體材料的）筒體材料的E、。 （2）筒體結(jié)構(gòu)尺寸）筒體結(jié)構(gòu)尺寸L/Do、Do/e及形狀偏差。及形狀偏差。 L是筒體的計(jì)算長度而非實(shí)際長度。是筒體的計(jì)算長度而非實(shí)際長度。 3. 受周向均布外壓的圓筒按端部約束是否影響筒體穩(wěn)受周向均布外壓的圓筒按端部約束是否影響筒體穩(wěn) 定性可劃分為短圓筒和長圓筒，劃分標(biāo)志是圓筒臨定性可劃分為短圓筒和長圓筒，劃分標(biāo)志是

34、圓筒臨 界長度界長度Lcr。 若若L Lcr ，則約束作用對(duì)筒體無影響，稱為長圓筒，則約束作用對(duì)筒體無影響，稱為長圓筒， 失穩(wěn)時(shí)波數(shù)失穩(wěn)時(shí)波數(shù)n=2； 若若L 2； 長圓筒，長圓筒，Bresse公式，公式， 3 2.2 ()104 e cr pE D 短圓筒，短圓筒，Lamm公式，公式， 2.5 2.59 ()107 / e cr E p L DD 上面兩式只能用于彈性失穩(wěn)，因非彈性失穩(wěn)時(shí)上面兩式只能用于彈性失穩(wěn)，因非彈性失穩(wěn)時(shí)E不不 再是常數(shù)。再是常數(shù)。 令上面兩式相等，可得到圓筒的臨界長度公式令上面兩式相等，可得到圓筒的臨界長度公式 1.17109 o o cr e D LDmm 1. 外

35、壓筒體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的目的是防止發(fā)生失穩(wěn)破壞，外壓筒體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的目的是防止發(fā)生失穩(wěn)破壞， 條件是計(jì)算外壓力條件是計(jì)算外壓力pc不得大于穩(wěn)定性計(jì)算確定的許用不得大于穩(wěn)定性計(jì)算確定的許用 外壓外壓p，即滿足穩(wěn)定性條件：，即滿足穩(wěn)定性條件： 10 10 cr c p ppMPa m 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的核心問題是計(jì)算許用外壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的核心問題是計(jì)算許用外壓p。 2. 穩(wěn)定性系數(shù)穩(wěn)定性系數(shù)m是考慮是考慮pcr公式的準(zhǔn)確性和制造所能控公式的準(zhǔn)確性和制造所能控 制的筒體形狀偏差等因素后所取的安全系數(shù)。在目前制的筒體形狀偏差等因素后所取的安全系數(shù)。在目前 制造水平下，制造水平下，GB150規(guī)定規(guī)定m=3，并相應(yīng)規(guī)定

36、了筒體橢，并相應(yīng)規(guī)定了筒體橢 圓度圓度e=Dmax-Dmin的值。的值。 3. 用解析法時(shí)，要先假設(shè)長圓筒或短圓筒，彈性或非用解析法時(shí)，要先假設(shè)長圓筒或短圓筒，彈性或非 彈性失穩(wěn)，并由結(jié)果對(duì)假設(shè)進(jìn)行校核，而且解析法只彈性失穩(wěn)，并由結(jié)果對(duì)假設(shè)進(jìn)行校核，而且解析法只 能用于彈性失穩(wěn)，所以應(yīng)用很不方便。工程設(shè)計(jì)用圖能用于彈性失穩(wěn)，所以應(yīng)用很不方便。工程設(shè)計(jì)用圖 算法。但圖算法也是由解析法公式得出的。算法。但圖算法也是由解析法公式得出的。 4.掌握?qǐng)D算法的原理，即圖算法的兩個(gè)圖是怎么得來的。掌握?qǐng)D算法的原理，即圖算法的兩個(gè)圖是怎么得來的。 圖算法的設(shè)計(jì)步驟：圖算法的設(shè)計(jì)步驟：假定假定n查出查出A查出或

37、計(jì)算查出或計(jì)算 出出B計(jì)算計(jì)算p校核校核pcp是否滿足。是否滿足。 圖算法能用于各種材料、各種尺寸、彈性或非彈性失穩(wěn)圖算法能用于各種材料、各種尺寸、彈性或非彈性失穩(wěn) 的外壓圓筒。的外壓圓筒。 5. 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取。設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)參數(shù)的選取。設(shè)計(jì)壓力p和計(jì)算壓力和計(jì)算壓力pc、計(jì)算長、計(jì)算長 度度L、試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)壓力pT 、厚度附加量、厚度附加量C、焊接接頭系數(shù)、焊接接頭系數(shù)。 1. 加強(qiáng)圈是內(nèi)壓圓筒設(shè)計(jì)中沒有的內(nèi)容。外壓圓筒設(shè)加強(qiáng)圈是內(nèi)壓圓筒設(shè)計(jì)中沒有的內(nèi)容。外壓圓筒設(shè) 置加強(qiáng)圈可減小計(jì)算長度，達(dá)到減小壁厚或提高許用置加強(qiáng)圈可減小計(jì)算長度，達(dá)到減小壁厚或提高許用 外壓的目的，但前提是設(shè)置加強(qiáng)圈

38、后筒體的計(jì)算長度外壓的目的，但前提是設(shè)置加強(qiáng)圈后筒體的計(jì)算長度 必須在短圓筒范圍內(nèi)。否則加強(qiáng)圈起不到作用。必須在短圓筒范圍內(nèi)。否則加強(qiáng)圈起不到作用。 復(fù)復(fù) 習(xí)習(xí) 思思 考考 題題 1. 外壓容器設(shè)計(jì)主要考慮穩(wěn)定性問題，而內(nèi)壓容器設(shè)外壓容器設(shè)計(jì)主要考慮穩(wěn)定性問題，而內(nèi)壓容器設(shè) 計(jì)主要考慮強(qiáng)度問題，不存在失穩(wěn)。這種說法對(duì)否？計(jì)主要考慮強(qiáng)度問題，不存在失穩(wěn)。這種說法對(duì)否？ 不對(duì)。內(nèi)壓容器也存在失穩(wěn)問題。如橢圓封頭不對(duì)。內(nèi)壓容器也存在失穩(wěn)問題。如橢圓封頭a/b值值 較大時(shí)，赤道處就有很大壓應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生局部失穩(wěn)。較大時(shí)，赤道處就有很大壓應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生局部失穩(wěn)。 2. 有一外壓長圓筒設(shè)置兩個(gè)加強(qiáng)圈后仍屬長圓筒，有一外壓長圓筒設(shè)置兩個(gè)加強(qiáng)圈后仍屬長圓筒， 問此設(shè)計(jì)是否合理？問此設(shè)計(jì)是否合理？ 不合理。設(shè)置加強(qiáng)圈的目的是把長圓筒改變?yōu)槎虉A不合理。設(shè)置加強(qiáng)圈的目的是把長圓筒改變?yōu)槎虉A 筒，提高其許用外壓，如仍為長圓筒，則許用外壓筒，提高其許用外壓，如仍為長圓筒，則許用外壓 不變，設(shè)置的加強(qiáng)圈未起到作用。不變，設(shè)置的加強(qiáng)圈未起到作用。 3. 外壓圓筒限制橢圓度的目的是什么？內(nèi)壓圓筒限制外壓圓筒限制橢圓度的目的是什么？內(nèi)壓圓筒限制 橢圓度的目的又是什么？為什么外壓筒體的橢圓度比橢圓度的目的又是什么？為什么外壓筒體的橢圓度比 內(nèi)壓筒體控制的嚴(yán)格？內(nèi)壓筒體控制的嚴(yán)格？ 外壓圓筒限制橢圓度是因?yàn)槌跏紮E圓度會(huì)導(dǎo)