1、1 1 1華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算24.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算第四章 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) 外壓封頭和法蘭設(shè)計(jì) 3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：l發(fā)生壓縮屈服破壞;l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。 4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算4l外壓容器發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的相應(yīng)壓力稱為臨界壓力 。l薄壁圓筒受側(cè)向均布外力作用，一

2、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)4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算二、臨界壓力第一節(jié) 概述5 臨界壓力 臨界壓力除與圓筒材料的E、有關(guān)外，主要和圓筒長(zhǎng)度與直徑之比值、壁厚與直徑的比值有關(guān)。 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。4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算二、臨界壓力第一節(jié) 概述6 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，MPa m穩(wěn)定系數(shù)， 我國鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)取m=34.

3、1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算二、臨界壓力第一節(jié) 概述7 外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù) 1、設(shè)計(jì)壓力和液壓試驗(yàn)壓力l設(shè)計(jì)壓力P設(shè)： 正常工作過程中可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓差。l真空容器：有安全裝置，?。?.25Pmax，0.1MPa）中的 較小值；無安全裝置，取0.1MPal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；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4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算三、外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)第一節(jié) 概述8 1、設(shè)計(jì)壓力和液壓試驗(yàn)壓力試驗(yàn)壓力PT：l不帶夾套的外壓容器，按內(nèi)壓試驗(yàn)；l帶夾套外壓容器，夾套試驗(yàn)壓力按外壓容器，但必須校核內(nèi)筒的穩(wěn)定

4、性；l真空容器以內(nèi)壓作壓力試驗(yàn)； MPaPMPaPPtT，1 . 025. 1max4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算三、外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)第一節(jié) 概述9 外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù) 2、外壓筒體計(jì)算長(zhǎng)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。l對(duì)于凸形端蓋：L圓筒長(zhǎng)封頭直邊段 端蓋深度l對(duì)于法蘭：L兩法蘭面之間的距離l對(duì)于加強(qiáng)圈：L加強(qiáng)圈中心線之間的距離4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算三、外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)第一節(jié) 概述31外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù) 3、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)m3，此時(shí)要求圓筒的不圓度 e 0.5%Dg，且e 25mm.104.1 外壓

5、容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算三、外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)第一節(jié) 概述11一、受均布側(cè)向外壓的長(zhǎng)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)力第四章 外壓容器設(shè)計(jì)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(zhǎng)圓筒的臨界壓力4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算1131 短圓筒臨界壓力：Do為圓筒外徑124.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算第二節(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(zhǎng)圓筒的臨界壓力13 (一) 圓環(huán)的臨界載荷l當(dāng)圓筒的長(zhǎng)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)橫截面形成n2的波數(shù)，這種圓筒稱為長(zhǎng)圓筒

6、。 l長(zhǎng)圓筒的臨界壓力與長(zhǎng)度無關(guān)，僅與圓筒壁厚與直徑的比值有關(guān)。 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(zhǎng)圓筒的臨界壓力l當(dāng)圓筒的相對(duì)長(zhǎng)度較小，兩端的約束作用不能忽視，臨界壓力不僅和壁厚與直徑之比有關(guān)，而且和長(zhǎng)度與直徑之比有關(guān)，失穩(wěn)時(shí)的波數(shù)n大于2，這種圓筒稱為短圓筒。 4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算(一) 圓環(huán)的臨界載荷圓環(huán)臨界載荷的表達(dá)式： 4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算鋼質(zhì)圓筒， =0.314圓環(huán)的慣性矩高度為1的圓環(huán)圓筒的抗彎剛度 t 為圓環(huán)的厚度第二節(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(zhǎng)圓筒的臨界壓力(一) 圓環(huán)的臨界載荷4.1 外壓容器

7、設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算15(一)未加強(qiáng)圓筒的臨界壓力第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力Mises在1914年按線性小撓度理論導(dǎo)出短圓筒的臨界壓力公式：K 4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算16(一)未加強(qiáng)圓筒的臨界壓力第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力這是短圓筒的最小臨界壓力17第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力(二)臨界長(zhǎng)度4-84-154.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算18第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界

8、壓力(三)帶加強(qiáng)圈的圓筒 在既定直徑與材料下，提高外壓容器的臨界壓力，可增加筒體厚度或減小計(jì)算長(zhǎng)度，從減輕容器重量、節(jié)約貴重金屬出發(fā)，減小計(jì)算長(zhǎng)度更有利。在結(jié)構(gòu)上即是在圓筒的內(nèi)部或外部相隔一定的距離焊接用型鋼做的加強(qiáng)圈，如圖所示。因?yàn)橛?jì)算假設(shè)圓筒與加強(qiáng)圈同時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，所以它們達(dá)到失穩(wěn)的必要條件是加強(qiáng)圈必須有足夠的剛度或截面慣性矩。 每一加強(qiáng)圈可考慮承受圈兩側(cè)Ls/2距離內(nèi)的外載荷。殼體和加強(qiáng)圈一起承受每單位周長(zhǎng)的臨界載荷等于pcrLs，得： 4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算19第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力(三)帶加強(qiáng)圈的圓筒對(duì)于能起加強(qiáng)作用的有效

9、圓筒器壁與加強(qiáng)圈的組合慣性矩可考慮等效于一單層較厚圓筒，其厚度稱為等效厚度te，大小為： 得： 這是帶加強(qiáng)圈圓筒保持穩(wěn)定所必需的最小加強(qiáng)圈與有效殼體組合截面的慣性矩，它是下一節(jié)設(shè)計(jì)帶加強(qiáng)圈外壓圓筒的基本公式之一。 4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算20(三)軸向受壓圓筒的臨界壓力 對(duì)于受軸向壓縮的有限長(zhǎng)的薄壁圓筒，不論其是軸對(duì)稱失穩(wěn)還是非軸對(duì)稱失穩(wěn)，按線性小撓度理論得到的臨界應(yīng)力的結(jié)果是一樣的，即： 由于線性臨界載荷值實(shí)際遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)值。必須考慮非線性分析。用非線性前屈曲理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，得到了下式的臨界壓力的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式： 第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力4.1 外壓容器設(shè)計(jì)-I 臨界壓力的計(jì)算21 上述分析均假設(shè)薄壁圓筒的失穩(wěn)在彈性范圍內(nèi)，即器壁中的壓縮應(yīng)力不大于材料的比例極限。當(dāng)該應(yīng)力超過比例極限，圓筒已屬于非彈性失穩(wěn)范疇。若按彈塑性失穩(wěn)進(jìn)行理論分析將十分復(fù)雜，工程上通常采用近似的處理方法，即利用材料超過比例極限的壓縮應(yīng)變曲線上的切線模量Et(圖49)，代替以上彈性假設(shè)下確定臨界壓力的公式中彈性模量E，按此計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近。如對(duì)于長(zhǎng)圓筒，則有： (四)非彈性失穩(wěn)的工程計(jì)算第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒