外压圆筒与封头的设计

上一内容下一内容回主目录返回2020/1/17第五章外压圆筒与封头的设计5.1概述5.2临界压力5.3外压圆筒的工程设计5.5外压圆筒加强圈的设计5.4外压球壳与凸形封头的设计上一内容下一内容回主目录返回2020/1/17第五章外压圆筒与封头的设计本章重点：临界压力及外压圆筒的工程设计方法本章难点：临界压力计划学时：6学时上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.1概述5.1.1外压容器的失稳1、外压容器的定义壳体外部压力大于壳体内部压力的容器均称为外压容器。2、外压薄壁容器的受力对于薄壁壳体来讲，内压薄壁圆筒受的是拉应力，即σm=pD/4S，σθ=pD/2S。而外压薄壁圆筒所受的是压应力，这种压缩应力的数值与内压容器相同，只是改变了应力的方向，然而，正是由于方向的改变，使得外压容器失效形式与内压不同。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.1概述外压容器很少因为强度不足发生破坏，常常是因为刚度不足而发生失稳。下面我们来看看失稳的定义。3、失稳及其实质失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一数值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸除后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的失稳（Instability）。5.1.2容器失稳型式的分类1、按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.1概述容器由均匀侧向外压引起的失稳，叫侧向失稳，特点是失稳时，壳体横断面由原来的圆形变为波形，波数可以是两个、三个、四个……，如图所示2、按压应力作用范围分为整体失稳与局部失稳上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.2临界压力5.2.1临界压力的概念临界压力：导致筒体失稳的压力。以pcr表示。5.2.2影响临界压力的因素1、筒体几何尺寸的影响主要考虑筒体的L/D和S/D。2、筒体材料性能的影响圆筒失稳时，在绝大多数情况下，筒壁内的压应力并没有达到材料的屈服点（是弹性失稳）。故这种情况失稳与材料的屈服点无关，只与材料的弹性模数E和泊松比μ有关。材料的弹性模数E和泊松比μ越大，其抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.2临界压力但是，由于各种钢材的E和μ值相差不大，所以选用高强度钢代替一般碳素钢制造并不能提高筒体的临界压力。3、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响（1）、稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀而引起的。无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。（2）、但是壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.2临界压力5.2.3长圆筒、短圆筒、钢性圆筒的定性描述相对几何尺寸两端边界影响临界压力失稳波形数长圆筒L/D0较大忽略只与Se/D0有关，与L/D0无关2短圆筒L/D0较小显著与Se/D0有关，与L/D0有关大于2的整数刚性圆筒L/D0较小Se/D0较大不失稳上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.2临界压力5.2.4临界压力的理论计算公式1、长圆筒2、短圆筒3、刚性圆筒刚性圆筒不存在弹性失稳而破坏的问题，只需校核其强度是否足够。其强度校核公式与计算内压圆筒的公式一样，只是式中的许用应力采用材料的压缩许用应力。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.2临界压力1.5/(/)1.3/eOOSDLD应变：＝上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.2临界压力1.5/(/)1.3/eOOSDLD应变：＝上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.2临界压力5.2.5临界长度和长圆筒、短圆筒、钢性圆筒的定量描述1、临界长度定义划分长、短和刚性圆筒之间的一个长度标准。2、Lcr和Lcr/当圆筒处于临界长度Lcr时，用长圆筒公式计算所得的临界压力值pcr和用短圆筒公式计算的临界压力值pcr/应相等，即上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.2临界压力同理，当圆筒处于临界长度Lcr/时，用短圆筒公式计算所得的临界压力值pcr/和用刚性圆筒公式计算的最大允许工作压力值[pw]应相等，即此时求出的L即为Ler/。3、长圆筒、短圆筒和刚性圆筒的定量描述若某圆筒的计算长度为L，则：L＞Lcr，属于长圆筒；Ler/＜L＜Lcr，属于短圆筒；L＜Lcr/，属于刚性圆筒。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.3外压圆筒的工程设计5.3.1设计准则1、许用外压力[p]和稳定安全系数m[]crppm[p]—许用外压力，Mpam—稳定安全系数。对圆筒、锥壳=3；球壳、椭圆形和碟形封头=15。2、设计准则计算压力pc≤[p]=pcr/m，并接近[p]。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.3外压圆筒的工程设计5.3.2外压圆筒壁厚设计的图算法1、算图的由来2、外压圆筒和管子厚度的图算法1）对Do/Se≥20的圆筒和管子2）对Do/Se＜20的圆筒和管子5.3.3外压圆筒的试压外压容器和真空容器以内压进行压力试验。试验压力为：液压试验pT=1.25p气压试验pT=1.15p式中P—设计压力，Mpa；PT—试验压力，Mpa。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.3外压圆筒的工程设计ieep2TTDSS（＋）＝ies0.2ep0.92TTDSS（＋）液压试验＝（）ies0.2ep0.82TTDSS（＋）气压试验＝（）上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.4外压球壳与凸形封头的设计5.4.1外压球壳和球形封头的设计受外压的球壳和球形封头所需的厚度，按下列步骤确定：（1）假设Sn，令Se＝Sn－C，定出Ro/Se值；（2）用下式计算系数A：（3）根据所用材料，选用图5－7～图5－14，在图的下方找出由（2）所得系数A。若A落在设计温度材料的右方，则过此点垂直上移，与材料相交（遇中间值用内插法），再过此交点水平右移，在图的右方得到o0.125A=R/eS上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.4外压球壳与凸形封头的设计系数B，并按下式计算许用外压力[p]：若所得A值落在设计温度材料线的左方，则用下式计算许用外压力[p]：（4）比较pc与[p]，若pc[p]，则需再假设Sn，重复上述计算步骤，直至[p]大于且接近pc时为止。/oeBpRS20.0833(/)toeEpRS上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.4外压球壳与凸形封头的设计5.4.2凸面受压封头的设计凸面受压封头所需的最小厚度，按受外压球壳和球形封头图算法进行设计，具体要求见表5－2。例题上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.5外压圆筒加强圈的设计5.5.1加强圈的作用与结构加强圈的作用：缩短圆筒的长度，增加圆筒的刚性。常用加强圈的结构：如图5－16所示。5.5.2加强圈的间距如果筒体的Do、Se已经确定，使该筒体安全承受所规定的外压pc所需加强圈的最大间距，可以由钢制短圆筒的临界压力的计算公式解出：2.52.5(/)2.590.86tteooesooSDDSLEDEmppD上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.5外压圆筒加强圈的设计所需加强圈的个数等于圆筒不设加强圈的计算长度L除以所需加强圈间距Ls再减去1，即加强圈个数n＝（L/Ls）－15.5.3加强圈尺寸设计（不作要求）5.5.4加强圈与圆筒间的连接加强圈与圆筒之间可采用连续的或间断的焊接。当加强圈设置在容器外面时，加强圈每侧间断焊接总长，应不小于圆筒外圆周长的1/2，最大间歇t＝8Sn当设置在里面时，加强圈每侧间断焊接总长，应不小于圆筒外圆周长的1/3，最大间歇t＝8Sn。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/175.5外压圆筒加强圈的设计加强圈允许割开或削弱而不需补强的最大弧长间断值，可由图5－19查得。