第13章 外壓容器設計

1、13.1 概概 述述兩端受拉的桿件，當受到橫向力作用使之彎曲后，若兩端受拉的桿件，當受到橫向力作用使之彎曲后，若橫向外力撤去后，拉桿會在兩端拉力作用下恢復直線橫向外力撤去后，拉桿會在兩端拉力作用下恢復直線狀態(tài)，故此，狀態(tài)，故此，只會因強度不足而破壞，不會因無只會因強度不足而破壞，不會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 外壓容器設計外壓容器設計按按GB150鋼制壓力容器鋼制壓力容器設計，不要求有設計資格。設計，不要求有設計資格。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)后當壓力增加到超過一定當壓力增加到超過一定值時，一旦受到橫向載值時

2、，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，壓桿也無法再恢復其原有的也無法再恢復其原有的直線狀態(tài)。通常在力學直線狀態(tài)。通常在力學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:對于壓桿的穩(wěn)定性設計，主要是確定臨界壓力數(shù)值對于壓桿的穩(wěn)定性設計，主要是確定臨界壓力數(shù)值（開始失穩(wěn)的對應壓力），并據(jù)此確定應控制的工作（開始失穩(wěn)的對應壓力），并據(jù)此確定應控制的工作載荷，以確保壓桿不會失穩(wěn)。載荷，以確保壓桿不會失穩(wěn)。13.1.1 外壓容器的失穩(wěn)外壓容器的失穩(wěn)對

3、于易失穩(wěn)的構件，往往失去原有形狀成為無法工作的對于易失穩(wěn)的構件，往往失去原有形狀成為無法工作的主要原因，而通常其強度還遠未達到材料的屈服程度。主要原因，而通常其強度還遠未達到材料的屈服程度。 2pD 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) 筒體的筒體的L/D較小，較小， e /D較大，即剛性好，筒體失較大，即剛

4、性好，筒體失效形式為效形式為壓縮強度破壞。壓縮強度破壞。實驗表明，薄壁圓筒的臨界壓力與材料的屈服極限無實驗表明，薄壁圓筒的臨界壓力與材料的屈服極限無關，而與材料的彈性模量關，而與材料的彈性模量E和泊松比和泊松比 有關。有關。 E 、 值值較大的材料抵抗變形的能力較強，其臨界壓力較高較大的材料抵抗變形的能力較強，其臨界壓力較高。 13.2 外壓圓筒的穩(wěn)定性計算外壓圓筒的穩(wěn)定性計算臨界壓力臨界壓力pcr是外壓容器設計中的重要概念，求出是外壓容器設計中的重要概念，求出pcr后就可得到后就可得到許用壓力許用壓力p。13.1 長圓筒的臨界壓力長圓筒的臨界壓力根據(jù)圓環(huán)變形的幾何關系和靜力平衡關系得出圓環(huán)失

5、穩(wěn)時的臨界壓力cr33EJpR (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。322()1ecrEpMPaD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算式壓力計算式cr32333(1)DEJpRR (13-2)3e12J將將代入式代入式(13-2)，得，得 (13-3)32.2 ()ecrpEMPaD對鋼制容器，對鋼制容器， =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

6、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，有關，這一臨界壓力引起的臨界周向壓應力為這一臨界壓力引起的臨界周向壓應力為21.1 ()2crecrep DEMPaD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導出公式（導出公式（13-6）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為筒體計算長度。 2222222222222221121121111RLnnnRRLnnREPeecr2.52.59

7、()/ecrEpMPaL 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有關外，有關外，。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力為：短圓筒的臨界周向壓應力為：1.51.32crecrep DEMPaL 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計算式導計算式導出。因短圓筒的出。因短圓筒的pcr隨隨L/D增大而減小，當增大而減小，當L/D

8、= Lcr/D時，封頭對筒體的支撐作用消失，這時短圓筒則變時，封頭對筒體的支撐作用消失，這時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處算得的臨界壓力值應相等，所以，種圓筒在分界點處算得的臨界壓力值應相等，所以，由由pcr短短= pcr長長3)(2 . 2DEe5 . 2)(/6 . 2DDLEe=可推得：可推得：1.17oocreDLDmm當當L Lcr時時,用短圓筒公式計算用短圓筒公式計算pcr當當L Lcr時時,用長圓筒公式計算用長圓筒公式計算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

9、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，則計算外壓，則計算外壓pc只能小于或等只能小于或等于于p，即：，即：13.3 外壓圓筒的設計計算外壓圓筒的設計計算 crcpppMPam式中式中 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:32.2 ()eoEpmD13.3.1 解析法解析法302.2cmpDmmE計算厚度：計算厚度： 32.2 ()ecropED臨界壓力臨界壓力:：將：將長圓筒的長圓筒的pcr代入代入 crcpppMPam令令p=pc，則計算厚度為：，則計算厚度為：式中式中D用用Do代

10、替代替eeecrDLDEDDLEp 0025 . 20059. 2)(/59. 2 許用壓力許用壓力:2002.59 eeEpmLDD： 臨界壓力臨界壓力:令令p=pc，則計算厚度為：，則計算厚度為：0.400()2.59cmp LDmmED用解析法可以求許用外壓用解析法可以求許用外壓p ，也可求計算厚度，也可求計算厚度。以上方法只適用于以上方法只適用于的設計計算。但在設計的設計計算。但在設計之前是無法判別是否為彈性失穩(wěn)的，這時就必須用之前是無法判別是否為彈性失穩(wěn)的，這時就必須用 。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

11、的制作32.2 ()ecropED(1) 圖圖13.6 ：幾何參數(shù)圖：幾何參數(shù)圖2.52.59()/ecrooEpL DDD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()ecropKED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)臨界應力：臨界應力：2()22ocrecroep DKED臨界應變臨界應變:2(),2ocrecrooeKLDAfEDD (13-11) (13-12) (13-13)L/DoADo/e圖圖13.6把把(13-13)畫成圖畫成圖13.6圖中的直線對應于長圓筒，斜線圖中的直線對應于長圓筒，斜線對應于短

12、圓筒，對應于短圓筒，該圖與彈性模量該圖與彈性模量無關，適用于各種材料無關，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變界應變A。（長圓筒失穩(wěn)時的應。（長圓筒失穩(wěn)時的應變變A與與L/Do無關無關）由由 eoeoeocrcrDpDpmDp 2322 得得 oeoecrDBDp 32(2) 圖圖13.713.9 ：AB關系圖關系圖即即 2233creoBAEpBD將應力將應力-應變曲線圖的縱坐應變曲線圖的縱坐標乘以標乘以2/3，就得到了，就得到了AB關系圖。直線部分對應彈關系圖。直線部分對應彈性范圍，曲線部分對應非性范圍，曲線部分對應非彈性范圍，彈

13、性范圍，故該圖對彈性、故該圖對彈性、非彈性失穩(wěn)都適用。非彈性失穩(wěn)都適用。BAt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/DoADo/e圖圖13.10BAt（1）Do/e20的圓筒和管子的圓筒和管子（僅需進行穩(wěn)定性校核）（僅需進行穩(wěn)定性校核）（a）假設）假設n，求，求e=n -c、L/ Do、Do/e ；（b）由）由L/ Do及及Do/e 從圖從圖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

14、查圖；查圖；50.00.05（c）由）由A按所用材料和設計溫度從圖按所用材料和設計溫度從圖13.79中查到中查到B，用（用（13-16）計算）計算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）計算）計算p（實際上，只要（實際上，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 ()3eoAEpD（d）比較）比較pc與與p，若，若pc p ,需再設需再設n， 重復上述計重復上述計算步驟，直到算步驟，直到p大于大于為止為止 。 (13-17) 2/1 . 1eoDA （a）用與）用與Do/e 20 時相同的步驟得到時相同的步

15、驟得到B值。值。但但Do/e0.1時，取時，取A=0.1。 (13-18)（b）按下式計算）按下式計算p1和和p2 ，并取較小值為，并取較小值為 p 。122.25 0.062521 1oeoooeepBDpDD（c） p應大于或等于應大于或等于pc ，否則，否則 ,需再設需再設n， 重復上述計重復上述計算步驟，直到算步驟，直到p大于大于且接近且接近pc為止為止 。 9 . 0,2mintsto 式中：式中： (13-20) (13-19)3. 設計參數(shù)設計參數(shù)1) 設計壓力設計壓力p與計算壓力與計算壓力pc 對外壓容器，對外壓容器，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)

16、生的最大內(nèi)外壓力差。的最大內(nèi)外壓力差。設有安全控制設有安全控制裝置時裝置時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計壓力，再加上夾套內(nèi)壓力；真空容器設計壓力，再加上夾套內(nèi)壓力；2) 計算長度計算長度L計算長度計算長度L指兩個剛性構件之間的距離。封頭、法蘭、指兩個剛性構件之間的距離。封頭、法蘭、加強圈均可視為剛性構件。對于凸形封頭，要計

17、入直加強圈均可視為剛性構件。對于凸形封頭，要計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。HLLH/3D0計算壓力計算壓力 pc與內(nèi)壓容器的定義一樣。與內(nèi)壓容器的定義一樣。3) 試驗壓力試驗壓力pT按內(nèi)壓容器進行壓力試驗，試驗壓力為按內(nèi)壓容器進行壓力試驗，試驗壓力為液壓時：液壓時： pT =1.25p 氣壓時：氣壓時： pT =1.15p壓力試驗前，應按下式校核圓筒應力：壓力試驗前，應按下式校核圓筒應力：0.90.82tstseiTTepD液壓液壓氣壓氣壓 (13-23) (13-24) 13.4 外壓封頭的設計計算外壓封頭的設計計算主要介紹半球形和橢圓形封頭的設計。主要介紹半球形

18、和橢圓形封頭的設計。222()3 1ecrEpR13.4.1 外壓凸形封頭外壓凸形封頭對于鋼材，對于鋼材，=0.3，并用并用Ro代替代替R，則則21.2 ()ecropER取取 m=14.52，得球殼許用壓力，得球殼許用壓力221.20.0833 ()14.52creooepEEpmRR將將 及（及（13-27）代入上式得：）代入上式得： eoRpB 借助于外壓筒體的圖算法，取借助于外壓筒體的圖算法，取 0.125oeAREAB32 半球形封頭的圖算法半球形封頭的圖算法（a）假設）假設n，求，求e = n -c、Ro/e；（b）用（）用（13-29）計算系數(shù)）計算系數(shù)A；（c）由）由A按所用材

19、料和設計溫度從圖按所用材料和設計溫度從圖13.79中查到中查到B具體步驟：具體步驟： eoRBp 20.0833 oeEpR用用 計算計算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）計算）計算p 。（d）p應大于或等于應大于或等于pc ，否則再設，否則再設n，重復上述計，重復上述計算步驟，直到算步驟，直到p大于且接近大于且接近pc為止為止 。計算步驟和公式與半球形封頭相同，不同之處是計算步驟和公式與半球形封頭相同，不同之處是Ro為封頭的當量球殼外半徑，為封頭的當量球殼外半徑， Ro=K1Do，K1見表見表13-1。3)(2 . 2oecrDEp 只與圓筒

20、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有關有關，而與圓筒的長徑比，而與圓筒的長徑比L/Do無關無關。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有關有關外，還與圓筒的長徑比外，還與圓筒的長徑比L/Do有關有關。5 . 2)(/59. 2oeocrDDLEp 13.5 加強圈設計加強圈設計 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計外壓圓筒時，在計算過程中，若許用外壓力設計外壓圓筒時，在計算過程中，若許用外壓力p小小于計算外壓力于計算外壓力pc，則必須，則必須增加圓筒

21、的厚度或縮短圓筒增加圓筒的厚度或縮短圓筒的計算長度的計算長度。從短圓筒的臨界壓力計算式可見，當圓。從短圓筒的臨界壓力計算式可見，當圓筒的直徑和厚度不變時，減少圓筒的計算長度可以提筒的直徑和厚度不變時，減少圓筒的計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. 2oeocrDDLEp外壓圓筒的計算長度外壓圓筒的計算長度L指兩個剛性構件（封指兩個剛性構件（封頭、法蘭、加強圈均可視為剛性構件）之頭、法蘭、加強圈均可視為剛性構件）之間的距離（間的距離（前已提及）。LLH/3HD0從經(jīng)濟學角度看，用增加厚度的辦法來提高圓筒的從經(jīng)濟學角度看，用增

22、加厚度的辦法來提高圓筒的許用外壓力是不合算的，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)部裝幾道加強圈，以縮短圓筒的計算長的外部或內(nèi)部裝幾道加強圈，以縮短圓筒的計算長度，增加圓筒的剛性。度，增加圓筒的剛性。特別是特別是當外壓圓筒需要用不銹鋼或其它貴重金屬制造時，當外壓圓筒需要用不銹鋼或其它貴重金屬制造時，則通過在圓筒外部設置碳鋼制成的加強圈可以減小貴重則通過在圓筒外部設置碳鋼制成的加強圈可以減小貴重金屬的消耗。金屬的消耗。另外，另外，當現(xiàn)有設備因操作條件改變而不能滿足要求時，當現(xiàn)有設備因操作條件改變而不能滿足要求時，增加壁厚是不可能的，設置加強圈減小增加壁厚是

23、不可能的，設置加強圈減小L則方便易行。則方便易行。所以，采用加強圈結構在外壓圓筒的設計上廣泛應用。所以，采用加強圈結構在外壓圓筒的設計上廣泛應用。加強圈應有足夠的剛性，通常采用扁鋼、角鋼、工字鋼加強圈應有足夠的剛性，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，因為型鋼截面慣性矩或其它型鋼間斷地焊接在筒體上，因為型鋼截面慣性矩較大，剛性較好。較大，剛性較好。見下圖：見下圖：L/eoDcp基本要求：為使加強圈真正起到加強作用，兩加基本要求：為使加強圈真正起到加強作用，兩加強圈之間的最大距離必須保證筒體為短圓筒。根強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算式：據(jù)短圓

24、筒的臨界壓力計算式：5 . 2)(/59. 2oeocrDDLEp 將計算壓力將計算壓力 中代入后，取等號中代入后，取等號可推出加強圈的最大間距：可推出加強圈的最大間距：mpppcrc crp2.50max02.59()1332ecEDLmpD當加強圈是均勻分布時，筒體所需設置的加強圈當加強圈是均勻分布時，筒體所需設置的加強圈數(shù)為：數(shù)為：1max LLn (13-33)將將n圓整為整數(shù)值后，相鄰加強圈間的距離為圓整為整數(shù)值后，相鄰加強圈間的距離為1sLLn (13-34)加強圈的尺寸，必須確保加強圈與筒體組合后的截加強圈的尺寸，必須確保加強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

25、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 為間距為間距設置加強圈后，加強圈與筒體的設置加強圈后，加強圈與筒體的有效段共同承受加強圈兩側各有效段共同承受加強圈兩側各 范圍內(nèi)的外壓載范圍內(nèi)的外壓載荷，設計時將加強圈與筒體視為一單層筒體，其厚荷，設計時將加強圈與筒體視為一單層筒體，其厚度稱為當量厚度，用度稱為當量厚度，用 表示表示sLs12Ly圖13.14 每個加強圈所承受的載荷syesAL(13-35) esA式中式中為筒體的有效厚度，為筒體的有效厚度，mm；為加強圈的橫截面積，為加強圈的橫截面積，mm2。有效段筒體的截面積有效段筒體的截面積Ae為為ee2Ab (1

26、3-36) 式中，式中，b為圓筒有效寬度，為圓筒有效寬度，oe0.55bDmm 經(jīng)理論分析并考慮適當?shù)陌踩禂?shù)，筒體有效段和加經(jīng)理論分析并考慮適當?shù)陌踩禂?shù)，筒體有效段和加強圈穩(wěn)定所需要的組合截面慣性矩強圈穩(wěn)定所需要的組合截面慣性矩I為為2osess()10.9D LA LIA (13-37)式中，式中，A為當量厚度圓筒失穩(wěn)時的周向臨界應變。為當量厚度圓筒失穩(wěn)時的周向臨界應變。加強圈與圓筒有效段實際所具有的組合慣性矩加強圈與圓筒有效段實際所具有的組合慣性矩Is22s1s2e()IIA caIA a (13-38)為加強圈對其形心軸為加強圈對其形心軸的慣性矩，的慣性矩，mm4；為圓筒有效段對其形

27、心軸為圓筒有效段對其形心軸的慣性矩，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；為加強圈截面形心軸為加強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， 為加強圈與圓為加強圈與圓筒有效段的組合截面筒有效段的組合截面對其形心軸對其形心軸的組合的組合慣性矩，慣性矩，mm4；22s1s2e()IIA caIA a (13-38)3.加強圈圖算法的設計步驟加強圈圖算法的設計步驟(1)假設加強圈的個數(shù)與間距假設加強圈的個數(shù)與間距Ls，選擇加強圈尺寸，選擇加強圈尺寸， 計算或由手冊查得計算或由手冊查得As，并

28、計算加強圈與筒體有效段，并計算加強圈與筒體有效段 實際所具有的組合慣性矩實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，按下式計算，按下式計算 當量厚度圓筒周向失穩(wěn)時的當量厚度圓筒周向失穩(wěn)時的B值值coessp DBA L (13-39)(3) 按相應材料的厚度計算圖按相應材料的厚度計算圖13.7至圖至圖13.9，從圖的右方，從圖的右方 找到上述計算的找到上述計算的B值，由此點沿水平方向左移，與相值，由此點沿水平方向左移，與相 應設計溫度下的材料溫度線相交，再從交點垂直下應設計溫度下的材料溫度線相交，再從交點垂直下 移查取移查取A值。若與材料溫度線無

29、交點，則按式值。若與材料溫度線無交點，則按式(13-40) 計算計算A值值32BAE (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 應重新選擇加強圈尺寸，重復上述計算，直至滿足應重新選擇加強圈尺寸，重復上述計算，直至滿足 要求為止。要求為止。 本本 章章 小小 結結學習本章內(nèi)容要特別注意將外壓殼體的穩(wěn)定性計算學習本章內(nèi)容要特別注意將外壓殼體的穩(wěn)定性計算與內(nèi)壓殼體的強度計算進行比較，并且通過對比得與內(nèi)壓

30、殼體的強度計算進行比較，并且通過對比得出有實用價值的結論。出有實用價值的結論。1. 外壓筒體處于外壓筒體處于壓縮應力壓縮應力狀態(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)時器壁筒體失穩(wěn)時器壁中的壓應力低于材料的屈服極限則稱為彈性失穩(wěn)，中的壓應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

31、）筒體材料的）筒體材料的E、。 （2）筒體結構尺寸）筒體結構尺寸L/Do、Do/e及形狀偏差。及形狀偏差。 L是筒體的計算長度而非實際長度。是筒體的計算長度而非實際長度。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，劃分標志是圓筒臨定性可劃分為短圓筒和長圓筒，劃分標志是圓筒臨界長度界長度Lcr。 若若L Lcr ，則約束作用對筒體無影響，稱為長圓筒，則約束作用對筒體無影響，稱為長圓筒，失穩(wěn)時波數(shù)失穩(wěn)時波數(shù)n=2； 若若L 2； 長圓筒，長圓筒，Bresse公式，公式， 32.2 ()104ecrpED 短圓筒，短圓筒，

32、Lamm公式，公式， 2.52.59()107/ecrEpL DD上面兩式只能用于彈性失穩(wěn)，因非彈性失穩(wěn)時上面兩式只能用于彈性失穩(wěn)，因非彈性失穩(wěn)時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1.17109oocreDLDmm1. 外壓筒體穩(wěn)定性設計的目的是防止發(fā)生失穩(wěn)破壞，外壓筒體穩(wěn)定性設計的目的是防止發(fā)生失穩(wěn)破壞，條件是計算外壓力條件是計算外壓力pc不得大于穩(wěn)定性計算確定的許用不得大于穩(wěn)定性計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 10crcpppMPam穩(wěn)定性設計的核心問題是計算許用外壓穩(wěn)定性設計的

33、核心問題是計算許用外壓p。2. 穩(wěn)定性系數(shù)穩(wěn)定性系數(shù)m是考慮是考慮pcr公式的準確性和制造所能控公式的準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，并相應規(guī)定了筒體橢，并相應規(guī)定了筒體橢圓度圓度e=Dmax-Dmin的值。的值。3. 用解析法時，要先假設長圓筒或短圓筒，彈性或非用解析法時，要先假設長圓筒或短圓筒，彈性或非彈性失穩(wěn)，并由結果對假設進行校核，而且解析法只彈性失穩(wěn)，并由結果對假設進行校核，而且解析法只能用于彈性失穩(wěn)，所以應用很不方便。工程設計用圖能用于彈性失穩(wěn)，所以應用很

34、不方便。工程設計用圖算法。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.掌握圖算法的原理，即圖算法的兩個圖是怎么得來的。掌握圖算法的原理，即圖算法的兩個圖是怎么得來的。圖算法的設計步驟：圖算法的設計步驟：假定假定n查出查出A查出或計算查出或計算出出B計算計算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. 設計參數(shù)的選取。設計壓力設計參數(shù)的選取。設計壓力p和計算壓力和計算壓力pc、計算長、計算長度度L、試驗壓力、試驗壓力pT 、厚度附加量、厚度附加量C、焊

35、接接頭系數(shù)、焊接接頭系數(shù)。1. 加強圈是內(nèi)壓圓筒設計中沒有的內(nèi)容。外壓圓筒設加強圈是內(nèi)壓圓筒設計中沒有的內(nèi)容。外壓圓筒設置加強圈可減小計算長度，達到減小壁厚或提高許用置加強圈可減小計算長度，達到減小壁厚或提高許用外壓的目的，但前提是設置加強圈后筒體的計算長度外壓的目的，但前提是設置加強圈后筒體的計算長度必須在短圓筒范圍內(nèi)。否則加強圈起不到作用。必須在短圓筒范圍內(nèi)。否則加強圈起不到作用。復復 習習 思思 考考 題題1. 外壓容器設計主要考慮穩(wěn)定性問題，而內(nèi)壓容器設外壓容器設計主要考慮穩(wěn)定性問題，而內(nèi)壓容器設計主要考慮強度問題，不存在失穩(wěn)。這種說法對否？計主要考慮強度問題，不存在失穩(wěn)。這種說法對否

36、？不對。內(nèi)壓容器也存在失穩(wěn)問題。如橢圓封頭不對。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，赤道處就有很大壓應力，會產(chǎn)生局部失穩(wěn)。較大時，赤道處就有很大壓應力，會產(chǎn)生局部失穩(wěn)。2. 有一外壓長圓筒設置兩個加強圈后仍屬長圓筒，有一外壓長圓筒設置兩個加強圈后仍屬長圓筒，問此設計是否合理？問此設計是否合理？不合理。設置加強圈的目的是把長圓筒改變?yōu)槎虉A不合理。設置加強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，設置的加強圈未起到作用。不變，設置的加強圈未起到作用。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)壓筒體控制的嚴格？內(nèi)壓筒體控制的嚴格？外壓圓筒限制橢圓度是因為初始橢圓度會導致許用外外壓圓筒限制橢圓度是因為初始橢圓度會導致許用外壓數(shù)值的降低，而內(nèi)壓筒體限制橢圓度是