薄壁圆筒外压失稳实验

实 验 报 告实验名称：外压薄壁容器的稳定性实验 班级：装备0804 实验日期：一、实验目的：a) 掌握外压薄壁容器失稳的概念，观察圆筒体壳体失稳后的形状和波数；b) 了解长圆筒、短圆筒和刚性圆筒的划分，实测外压薄壁容器失稳时的临界压力。

二、实验内容：测量圆筒体形容器失稳时的临界压力值，并与不同的理论公式计算值及图算法计算值进行比较。

观察外压薄壁容器失稳后的形态和变形的波数，并按比例绘制试件失稳前后的横断面形状图，用近似公式计算时间变形波数。

对实验结果进行分析和讨论。

三、实验步骤：a) 测量试件参数：i. 测量试件实际长度L 0、圆弧处外部高度h1、翻边处高度h2；外直径D2、内直径D1。

将测量值填入表。

ii. 计算壁厚t 、圆弧处内部高度h3、中经D 、计算长度L 。

分别将试件的计算值填入表中。

b) 实验台操作 外压薄壁容器的稳定性实验流程图如图1-4所示，实验前打开阀门V05、V07、V09、V10、V12，关闭其他所有阀门。

外压薄壁容器稳定性实验流程图c) 操作台操作i. 向右扳动控制台面板（图4-5）上的总控开关“14”，启动控制台；ii. 顺时针旋转旋钮“8”到底，打开电动调节阀V14，逆时针旋转旋钮“7”到底； iii. 向右扳动选择开关13，将水泵运行设置成变频运行方式，按下主水泵启动按钮“10”启动变频器； iv. 顺时针旋转压力调节旋钮，使主水泵开始运转，将加压罐内充水至上封头与接管连接处，按下主水泵关闭按钮关闭主水泵，同时关闭阀门V07，保持加压罐水位不变。

关闭贾亚馆旁边液位测量装置的两个阀门。

v. 试件装入加压罐内，要注意的是使垫圈要紧贴时间上端翻边处的四周，防止泄漏，然后对称的拧紧螺母；vi. 启动工控机，在桌面上打开“基本实验主程序”，点击“实验选择”按钮，选V05 V10V14 低位水箱P4内压容器V07V09 V12择“外压薄壁容器的稳定性实验”菜单，进入后点击“开始实验”进入实验画面。

外压容器失稳实验指导书一、实验目的1.观察圆筒形试件在外压作用下的失稳过程和失稳破坏后的形态。

2.验证圆筒形试件失稳破坏时的临界压力与试件失稳破坏压力的实验值比较。

3.讨论失稳临界压力和失稳波形的影响因素。

二、实验内容采用模拟试件，对几种不同几何尺寸的长圆筒和短圆筒进行外压试验。

对于失稳压力小于大气压力的试件亦可用简单的试验装置抽真空的方法进行试验。

主要测定：1.长圆筒试件受均匀横向外压的临界压力值。

2.几种不同长径比的短圆筒受均匀横向外压时的临界压力值。

3.同时受均匀横向和轴向外压力作用时的临界压力值。

三、试验装置试验装置如图1所示。

图1 试验装置简图对试件施加的外压力采用液压，试件内部和大气相通。

为了消除轴向载荷对试件失稳压力的影响，在试件内放一支撑架（顶杆螺栓），以消除轴向压力。

如果取掉支撑架，试件除受均匀横向载荷压力外，还承受轴向压力的作用，可进行双向压作用的失稳试验。

压力表可直接显示出临界压力值，同时通过压力传感器和数据采集仪，计算机可自动记录实验过程的压力变化趋势曲线，通过对压力数据的分析，得到临界压力的确切值。

软件操作详见软件使用手册。

四、实验注意事项D 1.试验前用精密量具测定试件的几何尺寸及椭圆度。

椭圆度取筒体中部最大的直径max和最小的直径min D 。

用下式计算：max min D D Dε-= 式中D 为公称直径。

测量时应该十分小心，防止试件发生变形。

2. 调节顶杆螺栓的高度，应与被测试件高度一致。

若无需施加轴向压力，则把顶杆螺栓去掉。

3. 试验时必须缓慢加载，并注意观察压力表指针有无下落回跳。

一般试件在失稳时有轻微的响声发出，这时所显示的压力，即为临界压力值。

实验七外压容器失稳实验一、 实验目的1、观察圆筒型试件在外压作用下的失稳过程和失稳破坏后的形状；2、验算圆筒形试件失稳破坏时的临界压力并与试件失稳的实测值比较；3、验算上述圆筒形试件中部设有加强圈后的权形数与临界外压。

二、 基本理论在外压作用下的薄壁容器器壁内的应力还未达到材料的屈服极限时。

容器会突然产生 现象而丧失容器原有形状。

使容器丧失稳定性的外压力称为该容器的临界压力Pcr .圆筒形 容器变形后的形状呈多波形其波形数。

可能是2、3、4・・・.容器承受临界外压作用而丧失稳定性。

并不是由于壳体的不园度或材料不均匀等所致， 即使壳体的几何形状很规整，材料很均匀。

当外压力达到一定数值时。

也会产生失稳现象。

当然壳体不园，材料不均匀能使其失稳的临界压力值降低。

外压容器失稳的临界压力Pcr 的大小取在于容器长度与直径之比（L/D ）和容器壁辱与 直径之比（S/D ）。

园筒形容器按失稳后的破坏情况可分为三类：1、长圆筒----这种圆筒得L/D 值比较大，临界压力Pcr 仅与S/D 有关，而L/D 无关，失稳 后的波形数为2；2、短园筒----筒体两端的边界影响显著，临界压力不仅与S/D 有关,而且与L/D 也有关, 失稳后的波形数n 为大于2的整数；3、刚性园筒----此园简的破坏系由于器壁内的应力超过材料的屈服极限所致，在这之 前不会发生失稳，计算时满足强度要求即可。

三、 临界压力Pcr 理论计算公式1、临界长度：Lcr=1.11Do/S 、〈〉2.5 一 D 短圆筒：Pcr=2.59E —LD 4、许用外压力:[p]=BSe/Do2、 长圆筒：Pcr=2.2E3、 3四、实验装置及试件1、实验装置本实验使用的装置如图1所示。

图7-1外压试验装置图1-气瓶；2-气瓶瓶阀；3-减压阀；4-放空阀；5-进气阀；6-下端盖；7-试件；8-支撑架；9-支撑座；10-小盖；11-上端盖；12-透明简体；13-压力表实验装置的主体会透明有机玻璃圆筒和平顶盖构成，实验时可将试件装在试件支承座上，并用橡胶密封图把试件的内外腔隔开。

doi:10.16576/ki.1007-4414.2017.04.040外压薄壁圆筒的计算∗罗永智,张传齐,罗海荣,陈丽萍(兰州兰石重型装备股份有限公司,甘肃兰州㊀730314)摘㊀要:外压圆筒的正确计算及圆筒加强圈的合理设计,是保证外压圆筒设计安全㊁经济的关键㊂介绍外压薄壁圆筒的稳定性问题,对外压薄壁圆筒设计中的解析公式法和图算法进行了分析概括,并对圆筒加强圈的设计进行介绍㊂关键词:外压薄壁圆筒;失稳;计算;加强圈中图分类号:TH49㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1007-4414(2017)04-0125-03Calculation of Thin-Walled External Pressure CylinderLUO Yong-zhi,ZHANG Chuan-qi,LUO Hai-rong,CHEN Li-ping(Lanzhou LS Heavy Equipment Co.,Ltd,Lanzhou Gansu㊀730314,China) Abstract:Correct calculation of thin-walled external pressure cylinder and correct design of cylinder reinforcing ring are the key points to ensure the safety and economy of the thin-walled external pressure cylinder.In this article,the stability problem of thin-walled external pressure cylinder is introduced.The analytical formula method and the nomography in design of the thin-walled external pressure cylinder are analyzed.In addition,the design of cylinder stiffening ring is introduced.Key words:thin-walled external pressure cylinder;instability;calculation;stiffening ring0㊀引㊀言外压薄壁圆筒即承受外压力的D o/δeȡ20的圆筒[1-2],其破坏以失稳为主,当发生失稳时,圆筒的形状发生改变,不能保持原状,导致结构失效㊂外压薄壁筒体的失稳属于弹性失稳,因为其薄膜应力要小于材料的比例极限,在计算时仅进行稳定性校核即可[3],即控制外载荷小于该结构发生失稳现象的临界载荷,并取一定的稳定安全系数㊂外压薄壁圆筒常用的计算方法是解析公式法和图算法[4],在计算过程中涉及到的因素和参数比较多,计算繁琐复杂,笔者结合实际工作过程中积累的经验,对外压薄壁圆筒的设计计算进行了归纳总结㊂1㊀外压薄壁圆筒的稳定性问题对于外压薄壁圆筒,刚度不够引起失稳是主要的失效形式,保证圆筒的稳定性是外压薄壁容器计算和分析的主要内容㊂在外压工况下,圆筒内的应力主要表现为压应力,当圆筒失稳后,筒壁的变形使其受力状态发生了重大改变,应力主要表现为弯曲应力㊂对于结构参数已定的圆筒,其能够承受的最大外压也是已定的,称之为临界压力,在外压低于临界压力时,圆筒承受压应力处于稳定状态,其形状保持不变,外压的变化只会引起圆筒压应力大小的变化,不会改变圆筒的受力状态,数值上二者成正比关系;但是,如果外压超过了圆筒的临界压力,圆筒的形状会发生突变,产生永久变形,其受力状态也随之改变,局部产生较大的弯曲应力㊂外压薄壁圆筒失稳时,筒体瞬间变为曲波形,其波数可能为2㊁3㊁4㊁ 等,外压薄壁圆筒的失稳形态如图1所示㊂图1㊀外压薄壁圆筒的失稳形态㊀㊀外压薄壁圆筒在进行稳定性计算时,根据圆筒两端的加强构件对圆筒稳定性是否产生影响,通常将圆筒分为长圆筒和短圆筒两类㊂长圆筒的失稳不受圆筒两端刚性支撑件的影响,在弹性失效时形成的波数为2,其特点是:计算长度与直径的比值较大,其临界压力不受计算长度的影响,仅与圆筒的有效厚度㊁外径有关㊂短圆筒的相对长度较短,两端的刚性支撑件对圆筒有约束作用,临界压力与圆筒壁厚㊁外径及计算长度有关,弹性失效时形成的波数大于2㊂2㊀外压薄壁圆筒的计算外压薄壁圆筒的计算是一个反复试算的过程,首先要根据圆筒的规格参数和材料假定圆筒的壁厚及加强结构的尺寸,然后采取正确的计算方法进行计算,直至设计出安全㊁合理的结果㊂文中涉及到的所㊃521㊃㊃机械研究与应用㊃2017年第4期(第30卷,总第150期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀经验交流∗收稿日期:2017-06-15作者简介:罗永智(1985-),男,甘肃武威人,工程师,主要从事压力容器设计和制造技术方面的工作㊂有术语㊁符号和定义均按照GB/T150.3-2011标准中的规定㊂2.1㊀解析公式法(临界压力计算方法) (1)圆筒外压计算长度L的确定㊂目前,国内外的设计标准中对外压计算长度如何确定都有详细的规定,它与圆筒的加强结构有关,如:当圆筒上焊接有加强圈㊁法兰等具有足够惯性矩的刚性构件时,外压计算长度等于两个相邻支撑线之间的最大间距;当圆筒部分没有设置加强圈等刚性构件时,外压计算长度等于圆筒长度加上每个凸形封头直边高度再加上每个凸形封头曲面深度的1/3㊂在工程设计时,应按相应设计标准中的规定执行,国内通常采用GB/T150.3 -2011标准中4.4.1条的规定㊂(2)根据圆筒的D o和δe计算临界长度(用L cr 表示),对圆筒进行判断分类,目的在于确定相应的计算公式,进而求得临界压力㊂㊀㊀L cr=1.17D o D oδe判断标准:当圆筒计算长度ȡ临界长度时,为长圆筒;当圆筒计算长度<临界长度时,为短圆筒㊂(3)对于钢制圆筒,当外部压力均匀作用于圆筒外侧时,根据圆筒的分类按以下公式进行圆筒临界压力的计算㊂长圆筒:P cr=2.2E(δe D o)3;σcr=1.1E(δe D o)2短圆筒:P cr=2.59E(δe/D o)2.5L/D oσcr=1.30E(δe/D o)1.5L/D o以上解析公式法仅适用于弹性范围,即临界应力σcr不大于材料设计温度下的屈服强度或比例极限;同时,由于圆筒的圆度误差会降低临界压力﹐所以在制造圆筒时还须将其圆度误差控制在设计标准允许的范围之内,国内通常按GB/T150.4-2011标准中6.5.11条的规定进行验收㊂(4)圆筒设计压力P c的校核㊂由于圆筒制造的误差㊁操作工况的变化及材料性能存在差异等因素会对圆筒的临界压力造成不良影响,在计算时须考虑安全系数m,即取临界压力是许用设计压力的m倍㊂P cɤ[P]=P cr m若P c>[P],则须重新设计圆筒的结构参数,按以上步骤再次计算,直至满足强度校核条件㊂在实际的设计中,由于需要反复试算,设计者都不愿意去重复计算以此优化结构,往往导致计算结果都偏保守,不够经济㊂2.2㊀图算法图算法是工程设计时经常使用的一种计算方法,采用图算法,可使设计变得较为简便,而且不论长圆筒还是短圆筒,弹性失稳还是非弹性失稳,薄壁圆筒还是厚壁圆筒,均可以采用图算法进行设计㊂GB/T150.3-2011中第4条中关于外压圆筒的稳定性校核就是采用图算法求取外压圆筒的许用设计压力,其将外压圆筒的设计划分为D o/δeȡ20㊁D o/δe<20两种情况,具体计算步骤按照GB/T150.3-2011标准的规定进行㊂虽然利用图算法可使外压圆筒的设计计算更为便捷,但由于要考虑多种因素,在计算时还是需要多次试算,比较麻烦㊂在实际设计时,通常借助SW6等强度计算软件进行计算,设计者设定圆筒的结构参数并完成条件输入,具体运算由计算机程序来完成,如果设计者对结果不满意,可调整参数,直至设计出最合理的结构㊂利用计算机程序计算,节省了大量的人工,对产品优化设计㊁节能降耗有积极的促进作用㊂2.3㊀外压薄壁圆筒的计算总结(1)对于圆筒有效厚度(δe)㊁外径(D o)㊁圆筒计算长度(L),由上述计算公式分析可知:当δe和D o确定时,L减小临界压力增高;当L和D o相同时,δe增大临界压力增高㊂(2)圆筒材料的弹性模量E增大,其抗变形能力越强,临界压力增高,但是各种钢材的弹性模量相差不大,所以选择高强度钢代替一般碳钢制造外压圆筒,并不能显著提高临界压力㊂(3)加强圈的设置㊂在外压薄壁圆筒上设置刚度较大的加强圈,可以缩短圆筒的计算长度,增加圆筒的刚性,从而提高临界压力㊂(4)圆筒的圆度偏差及材料性能的不均匀性,均会使其临界压力值下降㊂(5)与图算法相比,解析法的弹性理论公式计算过程相对复杂,若为非弹性失稳,弹性理论公式还不适用,适用范围有限㊂3㊀加强圈的设计计算外压薄壁圆筒采用加强圈结构是压力容器设计中最常用的设计方法㊂根据第2部分的计算分析可知,当圆筒的直径和材料确定时,有两种途径可提高圆筒的临界压力,分别是:加大圆筒的有效厚度和减小圆筒外压计算长度㊂但从便于生产制造㊁减轻容器重量㊁节约金属材料的角度考虑,减小外压计算长度更具合理性和优越性,通常采用的方法是;在圆筒外侧或内侧相隔一定距离焊接用型钢做的加强圈㊁要求加强圈具有足够刚性或截面惯性矩[5],常用的型钢有扁钢㊁角钢㊁槽钢㊁工字钢等㊂㊃621㊃经验交流㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2017年第4期(第30卷,总第150期)㊃机械研究与应用㊃3.1㊀加强圈的结构要求为了确保加强圈对圆筒的有效加强,不允许随意割断加强圈或改变其截面尺寸,加强圈自身允许分瓣拼接,但须采用全截面焊透的对接接头㊂加强圈与圆筒之间可采用连续焊或间断焊接[6]以保证加强圈能和圆筒牢固地相连在一起承受外压㊂加强圈与圆筒采用间断焊时,两侧焊缝可以交错布置也可并列齐平,加强圈在圆筒外面时,焊缝间距应小于8δn ,且每侧焊缝长度的总和应大于圆筒外圆周长的1/2;加强圈在圆筒内部时,焊缝间距应小于12δn ,且每侧焊缝长度的总和不得小于圆筒内圆周长的1/3㊂加强圈与圆筒的焊角高度不得小于两相焊件中较薄件的厚度㊂在工程设计时,加强圈的设置可按照GB /T 150.3-2011中第4.5条的各项规定㊂3.2㊀加强圈的设计计算在设计加强圈时必须要考虑两个问题,①圆筒上要设置的加强圈的数量,即确定加强圈间距;②加强圈的规格尺寸,同时还要考虑圆筒厚度变化的对临界压力的影响,所以圆筒上如何设置加强圈才合理,是一个涉及材料㊁制造费用的经济核算问题,必须统筹考虑,目前没有确切的定论,最佳方案是圆筒和加强圈材料费用与设备制造费用之和为最小,但实际工程中很难达到㊂校核加强圈尺寸时,首先确定加强圈的数量和间距L s (L s ɤL cr ),然后选定加强圈的材料和规格,由手册查得或计算出A s ,并确定有效圆筒作用范围(即加强圈中心线两侧有效宽度各为0.55D o δe 的圆筒),从而计算出加强圈与有效圆筒实际的组合惯性矩I s ㊂根据已知的P c ㊁D o 和假定的L s ㊁δe 计算外压应力系数B ㊂B =P c D o /(δe +A s /L s )根据加强圈所用材料,查GB /T150.3-2011的表4-1,确定对应的外压应力系数B 曲线图,根据已经计算出的B 值和设计温度在横坐标上找到系数A值;若B 值超出设计温度曲线的最大值,则取对应温度曲线右端点的横坐标值为A 值;若B 值小于设计温度曲线的最小值,则采用下式计算A 值:A =1.5B /E t求取加强圈与圆筒加强截面需的最小惯性矩I 值:I =D 2o L s (δe +A s /L s )A /10.9校核条件:若I s ȡI ,所选加强圈校核通过;若I s <I ,则须按以上计算步骤再次试算,直至结果满足条件为止㊂在实际工程设计时,为了提高工作效率,在最快的时间里确定出最佳的结构设计方案,通常借助SW6等计算软件进行反复试算,直至计算出安全㊁合理的结果为止㊂4㊀结㊀语在日常的化工设备设计中,外压薄壁圆筒的正确计算非常重要,它不仅是关系到设备能否安全运行的关键因素,也关系到制造和使用单位的经济成本㊂文中对外压薄壁圆筒计算的归纳总结供广大技术人员在工程设计时参考,可以给设计工作带来了便利,有利于提高和优化设计质量㊂参考文献:[1]㊀GB /T150.1~150.4-2011,压力容器[S].北京:中国国家标准化管理委员会,2011.[2]㊀寿比南,杨国义,徐㊀锋,等.GB150-2011‘压力容器“标准释义[M].北京:新华出版社,2012.[3]㊀张康达.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版社,2005.[4]㊀王志文,蔡仁良.化工容器设计[M].北京:化学工业出版社,2005.[5]㊀全国锅炉压力容器标准化技术委员会设计计算方法专业文员会,戚国胜,段㊀瑞.压力容器工程师设计指南[M].北京:中国石化出版社,2013.[6]㊀中石化集团上海工程有限公司,丁伯民,曹文辉.承压容器[M].北京:化学工业出版社,2008.ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ(上接第122页)[5]㊀高成冲,王志亮,汤文成.基于动态需求的复杂系统敏捷化布局优化策略[J].计算机集成制造系统,2010,16(9):1921-1927.[6]㊀刘㊀琼,许金辉,张超勇.基于改进蛙跳算法的鲁棒性车间布局[J].计算机集成制造系统,2014,20(8):1879-1886.[7]㊀周㊀娜,许可林,郭㊀爽.基于遗传算法的车间布局多目标优化[J].工业工程,2011,14(5):104-109.[8]㊀玄光男,程润伟.遗传算法与工程设计[M].北京:科学出版社,2000.[9]㊀张㊀屹,卢㊀超,张㊀虎,等.基于差分元胞多目标遗传算法的车间布局优化[J].计算机集成制造系统,2013,19(4):727-734.㊃721㊃㊃机械研究与应用㊃2017年第4期(第30卷,总第150期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀经验交流。

过程装备与控制工程专业实验实验报告实验名称：受外压薄壁圆筒失稳定型实验报告人姓名： 周强学号： 0843082120班级：过程装备与控制工程3班一、 实验目的1、 观察外压失稳现象、失稳时只是压力的变化、通体形状的变化；2、 测出实验用圆筒的临界压力并与理论值比较；3、 观察失稳后的波形和波数；4、 讨论临界压力，波数的因素二、 实验装置及材料实验设备有：油槽、输油泵，加压泵，加压缸，及相应的阀门。

实验材料为小的锌制圆筒所用工具：有游标卡尺、及翻边用的相关工具三、 实验原理根据相似理论和类比，用小试件模拟外压圆筒的失稳现象。

让圆筒内与空气相通，在外表面施加逐渐增大的压力，直到圆筒失稳，这是压力表的度数即为临界压力（最大读数），取出圆通，即可观察其失稳后的形状和波形、波数。

对于受外压的薄壁圆筒临界压力和波束可以通过以下计算。

2.52.59(/)/cr E S D P Pa L D=n =本实验修正后为：2.52.3(/)/cr E S D P Pa L D=n =实验中所用圆筒材料是锌，可取ｕ=0.27，106.3810E =⨯四、 实验步骤1、 打毛刺，测试件壁厚S2、 翻边3mm测量圆筒尺寸和计算圆度所要测量的尺寸有：L 、D max 、D min 其中。

圆度计算公式如下：max min 100%其中为公称直径D D e DD -=⨯ 3、 检查各装置的初始状态是否正确，如压力表是否为0，阀门是否灵活且处于正确的开启状态。

4、 气密性，可通过气密性实验测试油缸是否漏油。

5、 安装，把圆筒放入油罐中，用垫片密封，并用螺钉支撑，一起到限制其轴向方向的变形。

6、 加油及加压，把又加入油杯，然后慢慢的把油压入缸内，观察压力表的度数变化，逐渐增加压力，直到听到响声，压力表度数回落，圆筒即已失稳。

7、 泄压后，拿出圆筒，观察其变形。

8、 计算理论临界压力波数。

五、 实验数据记录表2 试件失稳情况实验现象记录： 1、 当圆筒失稳前，往缸内注油压力表读书会不断上升。