外壓容器設(shè)計(jì)11

第四章外壓容器設(shè)計(jì)

第一節(jié)概述第二節(jié)外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算第三節(jié)外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算第四節(jié)外壓封頭和法蘭計(jì)算

12第一節(jié)概述一、外壓容器的失效形式外壓容器的失效形式有兩種：1、發(fā)生壓縮屈服破壞;仍然屬于強(qiáng)度問題。2、當(dāng)外壓達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，殼體的徑向撓度隨壓縮應(yīng)力的增加急劇增大，直至容器壓扁，這種現(xiàn)象稱為外壓容器的失穩(wěn)或屈曲?；蛘哒f：容器強(qiáng)度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁被壓癟或發(fā)生褶縐，筒壁的圓環(huán)截面一瞬間變成了曲波形。這種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱失穩(wěn)。

3失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)外壓失穩(wěn)前，只有單純的壓縮應(yīng)力，在失穩(wěn)時(shí)，產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力。外壓容器的失穩(wěn)，實(shí)際上是容器筒壁內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由單純的壓應(yīng)力平衡躍變?yōu)橹饕軓澢鷳?yīng)力的新平衡。4二、容器失穩(wěn)形式5㈠側(cè)向失穩(wěn)由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)……。6㈡軸向失穩(wěn)

薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)喪失穩(wěn)定性。失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，即圓筒發(fā)生了褶縐。7㈢局部失穩(wěn)

在支座或其他支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過大的局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。8第一節(jié)概述二、臨界壓力

使得外壓容器原有的平衡狀態(tài)失去穩(wěn)定時(shí)的最小外壓力稱為臨界壓力。簡單地說是導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓。薄壁圓筒受側(cè)向均布外力作用，一旦達(dá)到臨界壓力時(shí)，沿周向?qū)⑿纬蓭讉€(gè)波。外壓圓筒的失穩(wěn)形態(tài)9第一節(jié)概述

臨界壓力失穩(wěn)是固有性質(zhì)，不是由于圓筒不圓或是材料不均或其它原因所導(dǎo)致。每一具體的外壓圓筒結(jié)構(gòu)，都客觀上對(duì)應(yīng)著一個(gè)固有的臨界壓力值。臨界壓力除與圓筒材料的E、μ有關(guān)外，主要和圓筒長度與直徑之比值、壁厚與直徑的比值有關(guān)。10早期對(duì)外壓圓筒的分析是按照理想圓柱殼線性小撓度理論進(jìn)行的，但失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)表明該分析結(jié)果不正確，根本原因是殼體失穩(wěn)本質(zhì)上是幾何非線性問題，所以失穩(wěn)分析應(yīng)按非線性大撓度來考慮。只是比較復(fù)雜。為了簡便起見，用線性小撓度為題求解。11第一節(jié)概述

臨界壓力表述與許用設(shè)計(jì)外壓的確定

[p]Pcr/m[P]－許用設(shè)計(jì)外壓，MPa

Pcr－臨界壓力，MPam－穩(wěn)定系數(shù)，

我國鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)取m=312第一節(jié)概述

外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)

1、設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力P：正常工作過程中可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓差。真空容器：有安全裝置，?。?.25Pmax，0.1MPa）中的較小值；無安全裝置，取0.1MPa夾套容器：內(nèi)部真空，真空容器設(shè)計(jì)壓力＋夾套設(shè)計(jì)壓力；應(yīng)考慮容器可能出現(xiàn)的最大壓差的危險(xiǎn)工況。如內(nèi)筒泄漏、夾套液壓試驗(yàn)等工況…13第一節(jié)概述

外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)2、試驗(yàn)壓力液壓試驗(yàn)壓力PT=1.25p;氣壓試驗(yàn)壓力PT=1.15p不帶夾套的外壓容器，按內(nèi)壓試驗(yàn)；帶夾套外壓容器，分別確定內(nèi)外筒試驗(yàn)壓力;夾套試驗(yàn)壓力按內(nèi)壓容器，但必須校核內(nèi)筒的穩(wěn)定性;真空容器以內(nèi)壓作壓力試驗(yàn)；

14第一節(jié)概述

外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)

3、外壓筒體計(jì)算長度L：指筒體上兩個(gè)剛性構(gòu)件如封頭、法蘭、加強(qiáng)圈之間的最大距離。對(duì)于凸形端蓋：L＝圓筒長＋封頭直邊段＋端蓋深度對(duì)于法蘭：L＝兩法蘭面之間的距離對(duì)于加強(qiáng)圈：L＝相鄰加強(qiáng)圈中心線之間的最大距離

15第一節(jié)概述

外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)

4、外壓容器的設(shè)計(jì)計(jì)算“設(shè)計(jì)規(guī)定”穩(wěn)定性系數(shù)m＝3，此時(shí)要求了圓筒的不圓度e16第二節(jié)外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算

一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力二、受均布側(cè)向外壓短圓筒的臨界壓力三、軸向受壓圓筒的臨界應(yīng)力17一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力

基本概念：長圓筒與短圓筒

當(dāng)圓筒的長度與直徑之比較大時(shí)，其中間部分將不受兩端封頭或加強(qiáng)圈的支持作用，彈性失穩(wěn)時(shí)形成n=2的波數(shù)，這種圓筒稱為長圓筒，長圓筒的臨界壓力與長度無關(guān)，僅與圓筒厚與直徑的比值有關(guān)。當(dāng)圓筒的長度與直徑之比較小，失穩(wěn)波數(shù)大于2時(shí)，稱為短圓筒。18一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力

基本概念：

長圓筒臨界壓力：

短圓筒臨界壓力：

19一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力

基本概念：

圓筒處于臨界狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力

20一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力(一)圓環(huán)的撓度曲線微分方程21一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力(二)圓環(huán)的臨界壓力式中：Pcr---沿圓環(huán)單位周長上的載荷；

t---圓環(huán)的壁厚；

R---圓環(huán)中性面的半徑，D=2R；

E---圓環(huán)材料的彈性模量。22一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力(三)長圓筒的臨界壓力公式23二、受均布側(cè)向外壓短圓筒的臨界壓力(一)未加強(qiáng)圓筒的臨界壓力(二)臨界長度或24(三)帶加強(qiáng)圈的圓筒另外，還有公式（4-21）25加強(qiáng)圈設(shè)置26三、軸向受壓圓筒的臨界應(yīng)力=stE()Rcr213m-

CicrREt.

=s式中C為修正系數(shù)，與Ri/t的比值有關(guān)，一般工程上Ri/t<500，取Ri/t=500，27四、非彈性失穩(wěn)的工程計(jì)算彈性失穩(wěn)：壁厚和殼體直徑相比較很小的圓筒，失穩(wěn)時(shí)器壁中的壓縮應(yīng)力在材料的比例極限以下，稱為彈性失穩(wěn)。非彈性失穩(wěn)：當(dāng)壁厚和殼體直徑相比較不十分小，失穩(wěn)時(shí)器壁中的壓縮應(yīng)力已經(jīng)超過材料的比例極限，這種失穩(wěn)稱為非彈性失穩(wěn)或者彈塑性失穩(wěn)。對(duì)于彈性失穩(wěn)，臨界壓力與材料強(qiáng)度無關(guān)，對(duì)于非彈性失穩(wěn)，臨界壓力與材料的強(qiáng)度特性有關(guān)28臨界壓力計(jì)算公式使用范圍：臨界壓力計(jì)算公式在認(rèn)為圓筒截面是規(guī)則圓形及材料均勻的情況下得到的。實(shí)際筒體都存在一定的圓度，不可能是絕對(duì)圓的，實(shí)際筒體臨界壓力將低于計(jì)算值。但即使殼體形狀很精確和材料很均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，也會(huì)失穩(wěn)，只不過是殼體的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。

29第三節(jié)外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算

一、解析法

二、圖算法30第三節(jié)外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算一、解析法

基本原則：對(duì)于長圓筒：L>Lcr

，對(duì)于短圓筒：LLcr,

31第三節(jié)外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算一、解析法:計(jì)算步驟1、假設(shè)壁厚tn，計(jì)算筒體長度L，t=tn-C;2、計(jì)算Lcr,，判斷L是否大于Lcr；

對(duì)于長圓筒：L>Lcr，

對(duì)于短圓筒：LLcr，3、比較P和[P]，若P[P]且較接近，則假設(shè)的tn符合要求；4、計(jì)算，工程上

32第三節(jié)外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算一、圖算法的原理

取兩個(gè)參數(shù)A、B33第三節(jié)外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算二、圖算法的計(jì)算步驟1、假設(shè)壁厚tn，計(jì)算筒體長度L，t=tn-C;2、計(jì)算L/Do、Do/t，查A，若L/Do>50，用L/Do＝50查A；3、由A值向上引垂線，查B值，若交不到，則說明圓筒已發(fā)生彈性失穩(wěn)，B值按下式計(jì)算計(jì)算4、比較P和[P]，若P[P]且較接近，則假設(shè)的tn符合要求34三、加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算一、加強(qiáng)圈作用對(duì)于短圓筒：

由臨界壓力的計(jì)算公式，除以安全系數(shù)可以得到許可設(shè)計(jì)外壓

由此可見，增加壁厚或減小圓筒的計(jì)算長度都可以提高圓筒的許用外壓，通過在筒體上設(shè)置加強(qiáng)圈，可以有效地減小筒體的計(jì)算長度。

當(dāng)外壓一定時(shí)，通過設(shè)置加強(qiáng)圈也可以達(dá)到減少筒體壁厚的目的。

35加強(qiáng)圈設(shè)置36三、加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算二、加強(qiáng)圈尺寸

為了保證殼體與加強(qiáng)圈的穩(wěn)定性，加強(qiáng)圈必須有適的尺寸，滿足式（4-21）給出的最小慣性矩要求：式中J－加強(qiáng)圈和有效殼體所需的組合慣性矩，Do－圓筒外徑，mm；Ls－加強(qiáng)圈間的間距，mm；

A＝cr等效圓筒的周向臨界應(yīng)變；

As——加強(qiáng)圈的橫截面積

t－圓筒的有效厚度，mm。37三、加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算二、加強(qiáng)圈尺寸

參數(shù)A、B式中te為圓筒在設(shè)置加強(qiáng)圈后的等效壁厚

38三、加強(qiáng)圈圖算法的基本步驟(1)設(shè)定加強(qiáng)圈個(gè)數(shù)n,計(jì)算加強(qiáng)圈間距Ls=L/(n-1)

(2)選定加強(qiáng)圈（扁鋼、角鋼或工字鋼），計(jì)算B，(3)由B查A，若交不到，計(jì)算A(4)計(jì)算，計(jì)算實(shí)際的組合慣性矩Js，比較J與Js，Js應(yīng)大于J且較接近。39第四節(jié)外壓封頭和法蘭設(shè)計(jì)

一、外壓凸形封頭二、外壓錐形封頭三、外壓法蘭的計(jì)算

40外壓封頭的結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)壓容器一樣。在外壓作用下封頭上的主要應(yīng)力是壓應(yīng)力，故與筒體一樣也存在穩(wěn)定性問題。成型封頭的殼體失穩(wěn)研究比圓筒復(fù)雜得多。在球形殼體承受外壓的彈性失穩(wěn)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出半經(jīng)驗(yàn)公式，但是將它們直接用于設(shè)計(jì)欠成熟，因此設(shè)計(jì)中仍采用圖算法等近似方法。41一、外壓半球形封頭的計(jì)算(1)假設(shè)壁厚tn，計(jì)算t=tn-C(2)計(jì)算A(3)通過查圖由A查得B(4)計(jì)算許用外壓[P]，(5)比較設(shè)計(jì)壓力P與許用外壓[P]，要求P[P]且比較接近。42二、外壓碟形和橢圓形封頭的計(jì)算按外壓球形封頭設(shè)計(jì)。對(duì)于碟形封頭，僅球冠部分為壓應(yīng)力，因此以球冠的內(nèi)半徑作為計(jì)算半徑Ri。對(duì)于橢圓形封頭，取當(dāng)量計(jì)算半徑Ri=KDi，系數(shù)K查表（教材表4－1〕43三、外壓錐形封頭1、對(duì)于60的外壓錐形封頭，按承受外壓的等效圓柱形筒體計(jì)算。

(1)假設(shè)壁厚tn，計(jì)算t=tn-C，計(jì)算等效圓筒壁厚te，(2)計(jì)算(3)由插圖得到A(4)由A得到B(5)由公式得到設(shè)計(jì)壓力[p](6)比較設(shè)計(jì)外壓P和許用外壓[P]，要求P[P]且較接近。2、>60的外壓錐形封頭按平板封頭計(jì)算。44三、外壓法蘭的計(jì)算

外壓法蘭仍利用Water對(duì)內(nèi)壓法蘭建立的應(yīng)力公式進(jìn)行計(jì)算。

在預(yù)緊情況下，外壓法蘭與內(nèi)壓法蘭的力矩計(jì)算相同；在操作狀態(tài)下，因流體軸向靜壓力的方向與內(nèi)壓時(shí)相反，升壓時(shí)螺栓力降低，墊片反力反而增加，故可以假定W＝0，P3＝P1＋P245三、外壓法蘭的計(jì)算46三、外壓法蘭的計(jì)算47三、外壓法蘭的計(jì)算48要求:了解外壓容器失穩(wěn)破壞的特點(diǎn)掌握彈性失穩(wěn)、非彈性失穩(wěn)、臨界壓力、圓筒計(jì)算長度、臨界長度等概念以及外壓容器穩(wěn)定性條件。圓筒臨界壓力計(jì)算公式是什么？外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是什么?掌握基本步驟。加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是什么?491、圓筒形容器受外壓壓癟之后，平行圓截面變成了多波形，表明產(chǎn)生了永久變形。是不是說明失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力必然大于