第四章 外压圆筒与封头的设计(1)

2020/2/15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2020/2/155.1.1外压容器的失稳1.外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器实例：减压精馏塔、真空冷凝器、夹套反应釜等5.1概述2020/2/152、外压薄壁容器的受力形式：内压薄壁圆筒：拉应力，即σm=PD/4δ，σθ=PD/2δ。外压薄壁圆筒：压应力，失效形式：内压容器：强度破坏；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。2020/2/153、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。2020/2/155.1.2容器失稳型式的分类1、侧向失稳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2020/2/152、轴向失稳容器承受轴向外压，失稳后，仍然具有圆形的横截面，母线产生了波形。2020/2/155.2临界压力5.2.1临界压力的概念临界压力：导致筒体失稳的最小压力。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δ/D。2020/2/15表5-1外压圆筒稳定性实验实验序号筒径/mm筒长/mm筒体中间有无加强圈壁厚/mm失稳时的真空度/mm水柱失稳时的波形数/个①90175无0.515004②90175无0.33004③90350无0.3120～1503④903501个0.33004比较①和②，L/D相同时，δ/D越大，临界压力越高；比较②和③，δ/D相同时，L/D越小，临界压力越高；比较③和④，δ/D，L/D相同时，有加强圈的，临界压力高。2020/2/15分析：（1）侧向失稳，圆筒环向纤维受弯，所以L/D相同时，δ/D越大，筒壁抵抗变形的能力越强，临界压力越高；（2）封头的刚性较筒体的刚性强，所以δ/D相同时，L/D越小，临界压力越高；（3）加强圈对圆筒可以起到支撑作用，所以δ/D，L/D相同时，有加强圈的，临界压力高。计算长度：指两相邻刚性支撑件（加强圈、封头、法兰等）的间距。封头的计算长度为凸形封头1/3的凸面高度。2020/2/155.2临界压力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（即弹性失稳）。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。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。2020/2/155.2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。椭圆度：e=（Dmax-Dmin）/DN，此处Dmax及Dmin分别为筒体同一横截面上的最大及最小内直径，DN为圆筒的公称直径。2020/2/155.2临界压力5.2.3长圆筒、短圆筒、钢性圆筒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δe/D0有关，与L/D0无关2短圆筒L/D0较小显著与δe/D0有关，与L/D0有关大于2的整数刚性圆筒L/D0较小δe/D0较大不失稳2020/2/155.2临界压力长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒厚与直径的比值有关。1.长圆筒临界压力：2.短圆筒临界压力：δe：筒体的有效壁厚，mm；D0：筒体的外直径，mm；L：筒体的计算长度，mm。短圆筒的临界压力随筒体计算长度增加而减小。302.2DEPetcr5.200//59.2DLDEPetcr2020/2/15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。2[][]tewiepD2020/2/155.2临界压力5.2.5临界长度1、临界长度划分长、短和刚性圆筒之间的一个长度标准。外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。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ecrDDL0017.12020/2/155.2临界压力计算长度L＞Lcr时，圆筒为长圆筒计算长度L＜Lcr时，圆筒为短圆筒同理，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Lcr′和用刚性圆筒公式计算的最大允许工作压力值[Pw]应相等，此时求出的L即为Lcr′。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；Lcr′＜L＜Lcr，属于短圆筒；L＜Lcr′，属于刚性圆筒。2020/2/15外压筒体计算长度L：指筒体上两个刚性构件如封头、法兰、加强圈之间的最大距离。对于凸形端盖：L=圆筒长＋封头直边段＋n×1/3端盖深度（n=1或2）对于法兰：L=两法兰面之间的距离对于加强圈：L=加强圈中心线之间的距离3h3hhhL3hh3hhLLL