432圓筒設(shè)計(外壓)解讀課件

過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計工程設(shè)計方法主要內(nèi)容加強圈的設(shè)計計算有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定圓筒軸向許用應(yīng)力的確定圖算法原理難點重點過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計工程設(shè)計方法主要內(nèi)過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計復(fù)習pppabc受周向均勻外壓薄壁回轉(zhuǎn)殼體的彈性失穩(wěn)問題臨界壓力失穩(wěn)現(xiàn)象外載荷達到某一臨界值，發(fā)生徑向撓曲，并迅速增加，沿周向出現(xiàn)壓扁或波紋。殼體失穩(wěn)時所承受的相應(yīng)壓力，稱為臨界壓力，用Pcr表示。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計復(fù)習pppabc過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒分成三類：長圓筒兩端的邊界影響可以忽略，壓癟時波數(shù)n=2，臨界壓力Pcr僅與t

/Do有關(guān)，而與L/Do無關(guān)。短圓筒兩端的邊界影響顯著，壓癟時波數(shù)為n＞2的正整數(shù)，Pcr不僅與t

/Do有關(guān)，而且與L/Do有關(guān)。剛性圓筒這種殼體的L/Do較小，而t

/Do較大，故剛性較好。其破壞原因是由于器壁內(nèi)的應(yīng)力超過了材料屈極限所致。計算時，只要滿足強度要求即可。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒分成三類：長過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計長圓筒臨界壓力：（2-97）（2-92）短圓筒臨界壓力：臨界長度Lcr：（2-98）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計長圓筒臨界壓力：（2過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒設(shè)計解析法圖算法一、解析法求取外壓容器許用壓力①假設(shè)筒體的名義厚度δn；②計算有效厚度δe；③求出臨界長度Lcr，將圓筒的外壓計算長度L與Lcr進行比較，判斷圓筒屬于長圓筒還是短圓筒；4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒設(shè)計解析法圖過程設(shè)備設(shè)計⑥比較設(shè)計壓力p和[p]的大小。若p≤[p]且較為接近，則假設(shè)的名義厚度δn符合要求；否則應(yīng)重新假設(shè)δn，重復(fù)以上步驟，直到滿足要求為止。特點：反復(fù)試算4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計⑤選取合適的穩(wěn)定性安全系數(shù)m，計算許用外壓[p]=④根據(jù)圓筒類型，選用相應(yīng)公式計算臨界壓力Pcr；解析法求取外壓容器許用壓力4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計⑥比較設(shè)計壓力p和[p]的大小。若p≤[過程設(shè)備設(shè)計假設(shè)：圓筒僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓，與圓環(huán)一樣處于單向（周向）應(yīng)力狀態(tài)。

厚度t改為有效厚度δe，得：二、圖算法原理（標準規(guī)范采用）將式（2-92）（2-97）4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計難點4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計假設(shè)：圓筒僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓，與圓過程設(shè)備設(shè)計長圓筒臨界壓力短圓筒臨界壓力4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計長圓筒臨界壓力短圓筒臨界壓力4.3.2.4外壓過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-21）不論長圓筒或短圓筒，失穩(wěn)時周向應(yīng)變（按單向應(yīng)力時的虎克定律）為：為避開材料的彈性模量E（塑性狀態(tài)為變量），采用應(yīng)變表征失穩(wěn)時的特征。圓筒在Pcr作用下，產(chǎn)生的周向應(yīng)力二、圖算法原理（續(xù)）代入長圓筒、短圓筒臨界壓力公式4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-21）不論長過程設(shè)備設(shè)計

將長、短圓筒的Pcr公式分別代入應(yīng)變式中，得長圓筒（4-22）短圓筒（4-23）（4-24）4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計（1）幾何參數(shù)計算圖：L/Do—Do/δe—A關(guān)系曲線4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計與材料彈性模量E無關(guān)，對任何材料的筒體都適用令，以A作為橫坐標，L/Do作為縱坐標，

Do/δe作為參量繪成曲線；見圖4-6長圓筒——與縱坐標平行的直線簇，失穩(wěn)時周向應(yīng)變A與L/Do無關(guān)；短圓筒——斜平行線簇，失穩(wěn)時A與

L/Do、Do/δe

都有關(guān)。A=εcr注意二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計（1）幾何參數(shù)計算圖：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-6外壓或軸向受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖（用于所有材料）εcr特點4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-6εcr特點過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線

已知L/Do，Do/δe查幾何算圖周向應(yīng)變A（橫坐標）找出A—Pcr的關(guān)系（類似于εcr—σcr）判定筒體在操作外壓力下是否安全（圖4-6）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計臨界壓力Pcr，穩(wěn)定性安全系數(shù)m，許用外壓力[p]，故pcr=m[p]代入式（4-21）整理得：（4-21）（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）令

B=二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計臨界壓力Pcr，穩(wěn)定過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-25）GB150，ASMEⅧ-1均取m=3，代入上式得：建立B與A的關(guān)系圖εcrσcrAB（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-25）GB15過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）若利用材料單向拉伸應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系對于鋼材（不計Bauschinger效應(yīng)），拉伸曲線與壓縮曲線大致相同，將縱坐標乘以2/3，即可作出B與A的關(guān)系曲線。二、圖算法原理（續(xù)）以A和B為坐標軸得厚度計算圖（以ε—σ為基礎(chǔ)），圖4-7～圖4-9

為幾種常用鋼材的厚度計算圖。溫度不同，曲線不同。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）系數(shù)B/MPa系數(shù)A=εcr過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計直線部分表示材料處于彈性，屬于彈性失穩(wěn)，B與A成正比，由A查B時，若與曲線不相交（落在曲線左側(cè)），則屬于彈性失穩(wěn)，，求取B?？捎桑?）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）二、圖算法原理（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計直線部分表示過程設(shè)備設(shè)計三、工程設(shè)計方法

4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計重點外壓圓筒（Do／δe）薄壁圓筒（Do／δe≥20）失穩(wěn)失穩(wěn)強度失效厚壁圓筒（Do／δe＜20）Do／δe＝204.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計三、工程設(shè)計方法4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計重過程設(shè)備設(shè)計1、Do/δe≥20薄壁筒體，穩(wěn)定性校核：a.假設(shè)名義厚度δn，令δe=δn-C，算出L/Do和Do/δe；b.以L/Do、Do/δe值由圖4-6查取A值，若L/Do值大于50，則用L/Do=50查取A值；4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計1、Do/δe≥20薄壁筒體，穩(wěn)定性校核：a.過程設(shè)備設(shè)計

（4-26）（4-27）c.由材料選——厚度計算圖（圖4-7～圖4-9）溫度對應(yīng)的E線在圖上沒有時，插值系數(shù)A設(shè)計溫度根據(jù)4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

B與厚度圖有交點與厚度圖無交點A在材料線左方過程設(shè)備設(shè)計（4-26）（4-27）c.由材料選——厚圖4-10圖算法求解過程4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

幾何參數(shù)圖厚度計算圖圖4-104.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計三、工程過程設(shè)備設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn合理pc＞[p]——假設(shè)δn不合理4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn過程設(shè)備設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn合理pc＞[p]——假設(shè)δn不合理4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

重設(shè)δn，直到滿足4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn過程設(shè)備設(shè)計但對Do/δe＜4.0的筒體，應(yīng)按式（4-28）求A值。2、Do/δe＜20厚壁筒體（4-28）

有交點，從圖中查B值4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

查B無交點求取B值的計算步驟同Do/δe≥20的薄壁筒體；4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計但對Do/δe＜4.0的筒體，應(yīng)按式（4-28）過程設(shè)備設(shè)計

為滿足強度，厚壁圓筒許用外壓力應(yīng)不低于式（4-30）值（4-30）防止圓筒體的失穩(wěn)和強度失效，厚壁筒體的許用外壓力必須取式（4-29）和式（4-30）中的較小值。式中σo—應(yīng)力，MPa4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

為滿足穩(wěn)定性，厚壁圓筒許用外壓力應(yīng)不低于式（4-29）值（4-29）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計為滿足強度，厚壁圓筒許用外壓力應(yīng)不低于式（4-3過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計解題思路小結(jié)：設(shè)δn，由L/Do、Do/δe幾何算圖AB[P]σcr厚度計算圖εcr三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

與曲線相交、不相交δn是否合理4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計解題思路小結(jié)：設(shè)δn過程設(shè)備設(shè)計（1）假設(shè)δn，令δe=δn-C，按式（4-31）計算系數(shù)A四、圓筒體軸向許用壓應(yīng)力的確定（4-31）（2）選用相應(yīng)材料的厚度計算圖查取B，此B值即為[σ]cr。

若A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方，則表明筒體屬于彈性失穩(wěn)，可直接由式（4-32）計算。（4-32）設(shè)筒體最大許用壓應(yīng)力[σ]cr=B，求系數(shù)B步驟如下：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計（1）假設(shè)δn，令δe=δn-C，按式（4-31過程設(shè)備設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力P穩(wěn)定性安全系數(shù)m外壓計算長度L等4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力P穩(wěn)定性安過程設(shè)備設(shè)計定義與內(nèi)壓容器相同，取值方法不同。外壓容器設(shè)計壓力：考慮正常工作情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差；真空容器設(shè)計壓力：按承受外壓考慮，當裝有安全控制裝置時（如真空泄放閥），設(shè)計壓力取1.25倍最大內(nèi)外壓力差或0.1MPa兩者中的較小值；當無安全控制裝置時，取0.1MPa。帶夾套容器:考慮可能出現(xiàn)最大壓差的危險工況，如內(nèi)壓容器突然泄壓而夾套內(nèi)仍有壓力時所產(chǎn)生的最大壓差。（1）設(shè)計壓力P

4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計定義與內(nèi)壓容器相同，取值方法不同。外壓容器設(shè)計壓過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）穩(wěn)定性安全系數(shù)m①由于長、短圓筒的臨界壓力計算公式，是按理想的無初始不圓度求得的。實際上，圓筒在經(jīng)歷成型、焊接或焊后熱處理后存在各種原始缺陷，如幾何形狀和尺寸的偏差、材料性能不均勻性等，都會直接影響臨界壓力計算值的準確性；②受載可能不完全對稱，因而根據(jù)線性小撓度理論得到的臨界壓力與試驗結(jié)果有一定誤差。原因:結(jié)論:為此，在計算許用設(shè)計外壓時，必須考慮一定的穩(wěn)定性安全系數(shù)m。五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）穩(wěn)定性安全系數(shù)過程設(shè)備設(shè)計特殊要求：形狀偏差（取m＝3的同時）如GB150規(guī)定，受外壓及真空的圓筒體在同一斷面一定弦長范圍內(nèi)，實際形狀與真正圓形之間的正負偏差不得超過一定值，具體規(guī)定可參見文獻[2]。GB150規(guī)定：圓筒體，m取3.0；球殼，m取14.52。4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計特殊要求：形狀偏差（取m＝3的同時）GB150規(guī)過程設(shè)備設(shè)計（3）外壓計算長度L計算長度：筒體外部或內(nèi)部兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離。剛性構(gòu)件：封頭、法蘭、加強圈等。圖4-11為外壓計算長度取法示意圖取法：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計（3）外壓計算長度L計算長度：筒體外部或內(nèi)部兩過程設(shè)備設(shè)計hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hihi/34.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-11外壓圓筒的計算長度(a)(b)(c)(d)(e)(f)過程設(shè)備設(shè)計hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hi過程設(shè)備設(shè)計將長圓筒轉(zhuǎn)化為短圓筒，可以有效地減小筒體厚度、提高筒體穩(wěn)定性。六、加強圈的設(shè)計計算目的加強圈設(shè)計加強圈的間距截面尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計將長圓筒轉(zhuǎn)化為短圓筒，可以有效地減小筒體六、加強過程設(shè)備設(shè)計當圓筒的δe/Do已知，且計算外壓pc值給定時，可由短圓筒許用外壓力計算公式導(dǎo)出加強圈的最大間距，即1.加強圈的間距設(shè)置加強圈，必須使其屬于短圓筒才有實際作用。（4-33）結(jié)論：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計由（4-33），加強圈數(shù)量增多，Lmax值減小，筒體厚度減??；反之，筒體厚度須增加。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計當圓筒的δe/Do已知，且計算外壓pc值給定時，過程設(shè)備設(shè)計2.加強圈截面尺寸的確定方法思路目的增強筒壁截面的抗彎曲能力通過增加截面慣性矩I來提高筒壁截面的抗彎曲能力，滿足Is大于并接近II——保持穩(wěn)定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩Is——加強圈與當量圓筒實際所具有的組合慣性矩4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計2.加強圈截面尺寸的確定方法思路目過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-12每個加強圈所承受的載荷過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-12每個加保持穩(wěn)定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩I：（4-38）Ls——從加強圈中心線到相臨兩側(cè)加強圈中心線距離之和的一半；若與凸型封頭相鄰，在長度中還應(yīng)計入封頭曲面深度的1/3，mmAs——單個加強圈的截面積，mm2，手冊查得A——系數(shù)，按下述方法求得4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計保持穩(wěn)定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩I：（4-38根據(jù)已知的Pc、Do和選擇的δe、Ls，按下式計算當量圓筒周向失穩(wěn)時的B值：（4-39）按相應(yīng)材料的厚度計算圖，由B查A。如果查圖時無交點，則A帶入式4-38中，就得到I4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計A——系數(shù)根據(jù)已知的Pc、Do和選擇的δe、Ls，按下式計算當量圓筒周I2—圓筒形殼體對其形心軸—

的慣性矩As—加強圈的截面積Ac—圓筒有效寬度內(nèi)的截面積，Ac=2bδeb—圓筒有效寬度，b=0.55a1—加強圈形心軸—至組合截面形心軸

—的距離a2—組合截面形心軸—至圓筒截面形心軸—的距離加強圈與當量圓筒實際所具有的組合慣性矩Is：I0—加強圈對其形心軸—

的慣性矩過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計I2—圓筒形殼體對其形心軸—的慣性矩As—過程設(shè)備設(shè)計

a.假設(shè)加強圈的個數(shù)與間距Ls（Ls≤Lmax），選擇加強圈尺寸（可按型鋼規(guī)格），計算或由手冊查得As，并計算加強圈與有效筒體實際所具有的組合慣性矩Is；計算步驟：b.根據(jù)已知的pc、Do和選擇的δe、Ls，按下式計算當量厚度筒體周向失穩(wěn)時的B值，（4-39）4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計a.假設(shè)加強圈的個數(shù)與間距Ls（Ls過程設(shè)備設(shè)計

c.按相應(yīng)材料的厚度計算圖，由B值查取A值（若查圖時無交點，則按A=計算）e.比較Is和I，若Is大于并接近I，則滿足要求，否則應(yīng)重新選擇加強圈尺寸，重復(fù)上述計算，直至滿足要求為止。d.把查得的A值代入式（4-38）中，求得所需的最小慣性矩I。注解：和前面介紹的圓筒體穩(wěn)定性計算相比，求解A的過程剛好和假定筒體厚度求其許用外壓力的過程相反。在加強圈設(shè)計時，通常是已知加強圈欲承受的外壓力pc，而求解其所需慣性矩。4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計c.按相應(yīng)材料的厚度計算圖，由B值查取過程設(shè)備設(shè)計設(shè)置位置容器外部：焊接總長≥筒體外圓周長的1/2容器內(nèi)部：焊接總長≥筒體內(nèi)圓周長的1/3；3.加強圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計工字鋼

其它型鋼

常用型鋼扁鋼角鋼4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計設(shè)置容器外部：焊接總長≥容器內(nèi)部：焊接總長≥3.過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計材料：多為碳素鋼。筒體為貴重金屬，在筒體外部設(shè)置碳素鋼加強圈，節(jié)省貴重金屬。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計材料：多為碳素鋼。4過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計

圖4-13加強圈與圓筒的連接加強圈兩側(cè)的間斷焊縫可錯開或并排，但焊縫之間的最大間隙對外加強圈為8δn，對內(nèi)加強圈12δn

（δn為筒體的名義厚度）。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計

要求：3.加強圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(續(xù))#加強圈應(yīng)整圈圍繞在筒體的圓周上，不許任意削弱或割斷。#設(shè)置在內(nèi)部的加強圈，若開設(shè)排液孔、排氣孔，削弱或割斷的弧長不得大于圖4-14所給定的值。4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計要求：3.過程設(shè)備設(shè)計

圖4-14圓筒上加強圈允許的間斷弧長值4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計圖4-過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計工程設(shè)計方法主要內(nèi)容加強圈的設(shè)計計算有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定圓筒軸向許用應(yīng)力的確定圖算法原理難點重點過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計工程設(shè)計方法主要內(nèi)過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計復(fù)習pppabc受周向均勻外壓薄壁回轉(zhuǎn)殼體的彈性失穩(wěn)問題臨界壓力失穩(wěn)現(xiàn)象外載荷達到某一臨界值，發(fā)生徑向撓曲，并迅速增加，沿周向出現(xiàn)壓扁或波紋。殼體失穩(wěn)時所承受的相應(yīng)壓力，稱為臨界壓力，用Pcr表示。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計復(fù)習pppabc過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒分成三類：長圓筒兩端的邊界影響可以忽略，壓癟時波數(shù)n=2，臨界壓力Pcr僅與t

/Do有關(guān)，而與L/Do無關(guān)。短圓筒兩端的邊界影響顯著，壓癟時波數(shù)為n＞2的正整數(shù)，Pcr不僅與t

/Do有關(guān)，而且與L/Do有關(guān)。剛性圓筒這種殼體的L/Do較小，而t

/Do較大，故剛性較好。其破壞原因是由于器壁內(nèi)的應(yīng)力超過了材料屈極限所致。計算時，只要滿足強度要求即可。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒分成三類：長過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計長圓筒臨界壓力：（2-97）（2-92）短圓筒臨界壓力：臨界長度Lcr：（2-98）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計長圓筒臨界壓力：（2過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒設(shè)計解析法圖算法一、解析法求取外壓容器許用壓力①假設(shè)筒體的名義厚度δn；②計算有效厚度δe；③求出臨界長度Lcr，將圓筒的外壓計算長度L與Lcr進行比較，判斷圓筒屬于長圓筒還是短圓筒；4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒設(shè)計解析法圖過程設(shè)備設(shè)計⑥比較設(shè)計壓力p和[p]的大小。若p≤[p]且較為接近，則假設(shè)的名義厚度δn符合要求；否則應(yīng)重新假設(shè)δn，重復(fù)以上步驟，直到滿足要求為止。特點：反復(fù)試算4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計⑤選取合適的穩(wěn)定性安全系數(shù)m，計算許用外壓[p]=④根據(jù)圓筒類型，選用相應(yīng)公式計算臨界壓力Pcr；解析法求取外壓容器許用壓力4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計⑥比較設(shè)計壓力p和[p]的大小。若p≤[過程設(shè)備設(shè)計假設(shè)：圓筒僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓，與圓環(huán)一樣處于單向（周向）應(yīng)力狀態(tài)。

厚度t改為有效厚度δe，得：二、圖算法原理（標準規(guī)范采用）將式（2-92）（2-97）4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計難點4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計假設(shè)：圓筒僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓，與圓過程設(shè)備設(shè)計長圓筒臨界壓力短圓筒臨界壓力4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計長圓筒臨界壓力短圓筒臨界壓力4.3.2.4外壓過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-21）不論長圓筒或短圓筒，失穩(wěn)時周向應(yīng)變（按單向應(yīng)力時的虎克定律）為：為避開材料的彈性模量E（塑性狀態(tài)為變量），采用應(yīng)變表征失穩(wěn)時的特征。圓筒在Pcr作用下，產(chǎn)生的周向應(yīng)力二、圖算法原理（續(xù)）代入長圓筒、短圓筒臨界壓力公式4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-21）不論長過程設(shè)備設(shè)計

將長、短圓筒的Pcr公式分別代入應(yīng)變式中，得長圓筒（4-22）短圓筒（4-23）（4-24）4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計（1）幾何參數(shù)計算圖：L/Do—Do/δe—A關(guān)系曲線4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計與材料彈性模量E無關(guān)，對任何材料的筒體都適用令，以A作為橫坐標，L/Do作為縱坐標，

Do/δe作為參量繪成曲線；見圖4-6長圓筒——與縱坐標平行的直線簇，失穩(wěn)時周向應(yīng)變A與L/Do無關(guān)；短圓筒——斜平行線簇，失穩(wěn)時A與

L/Do、Do/δe

都有關(guān)。A=εcr注意二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計（1）幾何參數(shù)計算圖：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-6外壓或軸向受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖（用于所有材料）εcr特點4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-6εcr特點過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線

已知L/Do，Do/δe查幾何算圖周向應(yīng)變A（橫坐標）找出A—Pcr的關(guān)系（類似于εcr—σcr）判定筒體在操作外壓力下是否安全（圖4-6）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計臨界壓力Pcr，穩(wěn)定性安全系數(shù)m，許用外壓力[p]，故pcr=m[p]代入式（4-21）整理得：（4-21）（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）令

B=二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計臨界壓力Pcr，穩(wěn)定過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-25）GB150，ASMEⅧ-1均取m=3，代入上式得：建立B與A的關(guān)系圖εcrσcrAB（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）二、圖算法原理（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-25）GB15過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）若利用材料單向拉伸應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系對于鋼材（不計Bauschinger效應(yīng)），拉伸曲線與壓縮曲線大致相同，將縱坐標乘以2/3，即可作出B與A的關(guān)系曲線。二、圖算法原理（續(xù)）以A和B為坐標軸得厚度計算圖（以ε—σ為基礎(chǔ)），圖4-7～圖4-9

為幾種常用鋼材的厚度計算圖。溫度不同，曲線不同。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）系數(shù)B/MPa系數(shù)A=εcr過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計二、圖算法原理（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計直線部分表示材料處于彈性，屬于彈性失穩(wěn)，B與A成正比，由A查B時，若與曲線不相交（落在曲線左側(cè)），則屬于彈性失穩(wěn)，，求取B?？捎桑?）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）二、圖算法原理（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計直線部分表示過程設(shè)備設(shè)計三、工程設(shè)計方法

4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計重點外壓圓筒（Do／δe）薄壁圓筒（Do／δe≥20）失穩(wěn)失穩(wěn)強度失效厚壁圓筒（Do／δe＜20）Do／δe＝204.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計三、工程設(shè)計方法4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計重過程設(shè)備設(shè)計1、Do/δe≥20薄壁筒體，穩(wěn)定性校核：a.假設(shè)名義厚度δn，令δe=δn-C，算出L/Do和Do/δe；b.以L/Do、Do/δe值由圖4-6查取A值，若L/Do值大于50，則用L/Do=50查取A值；4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計1、Do/δe≥20薄壁筒體，穩(wěn)定性校核：a.過程設(shè)備設(shè)計

（4-26）（4-27）c.由材料選——厚度計算圖（圖4-7～圖4-9）溫度對應(yīng)的E線在圖上沒有時，插值系數(shù)A設(shè)計溫度根據(jù)4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

B與厚度圖有交點與厚度圖無交點A在材料線左方過程設(shè)備設(shè)計（4-26）（4-27）c.由材料選——厚圖4-10圖算法求解過程4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

幾何參數(shù)圖厚度計算圖圖4-104.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計三、工程過程設(shè)備設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn合理pc＞[p]——假設(shè)δn不合理4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn過程設(shè)備設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn合理pc＞[p]——假設(shè)δn不合理4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

重設(shè)δn，直到滿足4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn過程設(shè)備設(shè)計但對Do/δe＜4.0的筒體，應(yīng)按式（4-28）求A值。2、Do/δe＜20厚壁筒體（4-28）

有交點，從圖中查B值4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

查B無交點求取B值的計算步驟同Do/δe≥20的薄壁筒體；4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計但對Do/δe＜4.0的筒體，應(yīng)按式（4-28）過程設(shè)備設(shè)計

為滿足強度，厚壁圓筒許用外壓力應(yīng)不低于式（4-30）值（4-30）防止圓筒體的失穩(wěn)和強度失效，厚壁筒體的許用外壓力必須取式（4-29）和式（4-30）中的較小值。式中σo—應(yīng)力，MPa4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

為滿足穩(wěn)定性，厚壁圓筒許用外壓力應(yīng)不低于式（4-29）值（4-29）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計為滿足強度，厚壁圓筒許用外壓力應(yīng)不低于式（4-3過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計解題思路小結(jié)：設(shè)δn，由L/Do、Do/δe幾何算圖AB[P]σcr厚度計算圖εcr三、工程設(shè)計方法（續(xù)）

與曲線相交、不相交δn是否合理4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計解題思路小結(jié)：設(shè)δn過程設(shè)備設(shè)計（1）假設(shè)δn，令δe=δn-C，按式（4-31）計算系數(shù)A四、圓筒體軸向許用壓應(yīng)力的確定（4-31）（2）選用相應(yīng)材料的厚度計算圖查取B，此B值即為[σ]cr。

若A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方，則表明筒體屬于彈性失穩(wěn)，可直接由式（4-32）計算。（4-32）設(shè)筒體最大許用壓應(yīng)力[σ]cr=B，求系數(shù)B步驟如下：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計（1）假設(shè)δn，令δe=δn-C，按式（4-31過程設(shè)備設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力P穩(wěn)定性安全系數(shù)m外壓計算長度L等4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力P穩(wěn)定性安過程設(shè)備設(shè)計定義與內(nèi)壓容器相同，取值方法不同。外壓容器設(shè)計壓力：考慮正常工作情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差；真空容器設(shè)計壓力：按承受外壓考慮，當裝有安全控制裝置時（如真空泄放閥），設(shè)計壓力取1.25倍最大內(nèi)外壓力差或0.1MPa兩者中的較小值；當無安全控制裝置時，取0.1MPa。帶夾套容器:考慮可能出現(xiàn)最大壓差的危險工況，如內(nèi)壓容器突然泄壓而夾套內(nèi)仍有壓力時所產(chǎn)生的最大壓差。（1）設(shè)計壓力P

4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計定義與內(nèi)壓容器相同，取值方法不同。外壓容器設(shè)計壓過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）穩(wěn)定性安全系數(shù)m①由于長、短圓筒的臨界壓力計算公式，是按理想的無初始不圓度求得的。實際上，圓筒在經(jīng)歷成型、焊接或焊后熱處理后存在各種原始缺陷，如幾何形狀和尺寸的偏差、材料性能不均勻性等，都會直接影響臨界壓力計算值的準確性；②受載可能不完全對稱，因而根據(jù)線性小撓度理論得到的臨界壓力與試驗結(jié)果有一定誤差。原因:結(jié)論:為此，在計算許用設(shè)計外壓時，必須考慮一定的穩(wěn)定性安全系數(shù)m。五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定（續(xù)）過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）穩(wěn)定性安全系數(shù)過程設(shè)備設(shè)計特殊要求：形狀偏差（取m＝3的同時）如GB150規(guī)定，受外壓及真空的圓筒體在同一斷面一定弦長范圍內(nèi)，實際形狀與真正圓形之間的正負偏差不得超過一定值，具體規(guī)定可參見文獻[2]。GB150規(guī)定：圓筒體，m取3.0；球殼，m取14.52。4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計特殊要求：形狀偏差（取m＝3的同時）GB150規(guī)過程設(shè)備設(shè)計（3）外壓計算長度L計算長度：筒體外部或內(nèi)部兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離。剛性構(gòu)件：封頭、法蘭、加強圈等。圖4-11為外壓計算長度取法示意圖取法：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定（續(xù)）4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計（3）外壓計算長度L計算長度：筒體外部或內(nèi)部兩過程設(shè)備設(shè)計hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hihi/34.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-11外壓圓筒的計算長度(a)(b)(c)(d)(e)(f)過程設(shè)備設(shè)計hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hi過程設(shè)備設(shè)計將長圓筒轉(zhuǎn)化為短圓筒，可以有效地減小筒體厚度、提高筒體穩(wěn)定性。六、加強圈的設(shè)計計算目的加強圈設(shè)計加強圈的間距截面尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計將長圓筒轉(zhuǎn)化為短圓筒，可以有效地減小筒體六、加強過程設(shè)備設(shè)計當圓筒的δe/Do已知，且計算外壓pc值給定時，可由短圓筒許用外壓力計算公式導(dǎo)出加強圈的最大間距，即1.加強圈的間距設(shè)置加強圈，必須使其屬于短圓筒才有實際作用。（4-33）結(jié)論：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計由（4-33），加強圈數(shù)量增多，Lmax值減小，筒體厚度減薄；反之，筒體厚度須增加。4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計當圓筒的δe/Do已知，且計算外壓pc值給定時，過程設(shè)備設(shè)計2.加強圈截面尺寸的確定方法思路目的增強筒壁截面的抗彎曲能力通過增加截面慣性矩I來提高筒壁截面的抗彎曲能力，滿足Is大于并接近II——保持穩(wěn)定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩Is——加強圈與當量圓筒實際所具有的組合慣性矩4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計2.加強圈截面尺寸的確定方法思路目過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-12每個加強圈所承受的載荷過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-12每個加保持穩(wěn)定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩I：（4-38）Ls——從加強圈中心線到相臨兩側(cè)加強圈中心線距離之和的一半；若與凸型封頭相鄰，在長度中還應(yīng)計入封頭曲面深度的1/3，mmAs——單個加強圈的截面積，mm2，手冊查得A——系數(shù)，按下述方法求得4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計保持穩(wěn)定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩I：（4-38根據(jù)已知的Pc、Do和選擇的δ