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第一章测试1.下列哪一个是目前正在使用的压力容器设计规范？A:GB150 钢制压力容器B:GB150 压力容器C:GB151 钢制压力容器D:GB151 压力容器答案:B2.目前使用的压力容器规范是哪一年颁布的?A:1989年B:1998年C:2011年D:2017年答案:C3.下列说法哪个是正确的？A:有压力的容器就是压力容器B:压力与体积的乘积大于或者等于2.5 MPa·L的容器才是压力容器C:体积大于1 L的容器就是压力容器D:盛装气体和液体的容器就是压力容器答案:B4.常温容器是指：A:温度在室温至200℃的容器B:温度在恒定不变的温度下的容器C:温度在0℃至20℃之间的容器D:温度在室温时的容器答案:A5.薄壁容器是指：A:壁厚小于1mm的容器B:壁厚比上内径小于等于外、内径之比的五分之一的容器C:壁厚小于5mm的容器D:壁厚比上内径小于等于外、内径之比的十分之一的容器答案:D6.压力容器的失效型式有哪些？A:过度变形失效、断裂失效、表面损伤失效B:韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂C:过度变形失效、断裂失效、韧性断裂失效D:韧性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂答案:A7.特种设备是指：A:锅炉、压力容器、电梯、起重机等B:锅炉、压力容器、电梯、起重机、客运索道、大型游乐实施等C:锅炉、压力容器、电梯、起重机、客运索道等D:锅炉、压力容器答案:B8.什么是材料的韧性？A:韧性是材料抵抗冲击的能力B:韧性是材料抵抗断裂的能力C:韧性是材料抵抗变形的能力D:韧性是材料抵抗拉伸的能力答案:A9.下面哪一种说法是正确的？A:强度高的材料，塑性及韧性降低B:强度高的材料，塑性及韧性增加C:强度高的材料，塑性降低、韧性增加D:强度高的材料，塑性增加，韧性降低答案:A10.下列说法哪个是正确的？A:二类容器最危险，要求最高；B:一类容器最危险，要求最高；C:四类容器最危险，要求最高。
D:三类容器最危险，要求最高；答案:D第二章测试1.第一曲率半径与_________有关。
外压容器失稳实验——新装置（1）实验⼆外压薄壁圆筒形容器失稳实验⼀、试验⽬的：1. 观察薄壁圆筒形容器在外压作⽤下丧失稳定性后的形态。
2.测定圆筒形容器失去稳定性时的临界压⼒并与理论值相⽐较。
⼆、试验原理：圆筒形容器在外压作⽤下，常因刚度不⾜使容器失去原有形状，即被压扁或折曲成波形，这就是容器的失稳现象，容器失去稳定性时的外压⼒，成为容器的临界压⼒，⽤p表⽰。
圆筒形容器失去稳定cr性后，其横截⾯被折成波形，波数n可能是1，2，3，4，……等任意整数,如图⼀所⽰。
图⼀圆筒形容器失去稳定后的形状容器承受临界值的外压⼒⽽失去稳定性，决⾮是由于容器壳体本⾝不圆的缘故，即是绝对圆的壳体也会失去稳定性。
当然如壳体不圆（具有椭圆度）容器更容易失稳，即它的临界压⼒值会下降。
根据外压容器筒体的长短，可分为长圆筒，短圆筒和刚性圆筒三种，刚性圆筒⼀般具有⾜够的刚度，可不必考虑稳定性问题。
但长圆筒，短圆筒必须进⾏稳定性计算，它们的临界压⼒cr p 值⼤⼩主要与厚壁(t )，外直径(0D )，长度（L ）有关。
亦受材料弹性模数(E )，泊桑⽐(µ)影响。
所谓长圆筒，短圆筒之分，并不是指它们的绝对长度，⽽是与直径壁厚有关的相对长度。
⼀般长圆筒、短圆筒之间的划分⽤临界长度cr L 表⽰。
如容器长度L >cr L 为长圆筒，反之为短圆筒。
临界长度cr L 由下式确定：t D D L cr 0017.1=长圆筒：长圆筒失稳时的波数n =2，临界压⼒cr p 仅与0D t 有关，⽽与0D L ⽆关。
cr p 值可由下式计算：32)(12Dt E p cr µ-=短圆壁：短圆筒失去稳定性时，波数n >2,如为3，4，5……，其波数n 可近似为：42)()(06.7D t D L n = 临界压⼒可由下式计算：tD LD Et p cr 00259.2=对于外压容器临界压⼒的计算，有时为计算简便起见，可借助于⼀些现成的计算图来进⾏。
外压薄壁圆筒的计算罗永智;张传齐;罗海荣;陈丽萍【摘要】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、经济的关键.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.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2017(030)004【总页数】3页(P125-127)【关键词】外压薄壁圆筒;失稳;计算;加强圈【作者】罗永智;张传齐;罗海荣;陈丽萍【作者单位】兰州兰石重型装备股份有限公司,甘肃兰州 730314;兰州兰石重型装备股份有限公司,甘肃兰州 730314;兰州兰石重型装备股份有限公司,甘肃兰州730314;兰州兰石重型装备股份有限公司,甘肃兰州 730314【正文语种】中文【中图分类】TH49外压薄壁圆筒即承受外压力的Do/δe≥20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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
外压圆筒的计算及数值计算稳定性分析李金科;张贤福;刘韫砚【摘要】通过比较各标准中外压圆筒的计算,并用ANSYS软件屈曲和弹塑性分析,结果表明GB 150-1998外压厚壁圆筒的计算方法是偏保守的.%By comparing the calculation of cylindrical shells under external pressure of several standards, and doing the buckling and elastic - plastic analyses using the ANSYS software, the results show that the calculation method of thick - walled cylindrical shells under external pressure of GB 150-1998 was comparatively conservative.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2011(028)007【总页数】6页(P35-39,54)【关键词】外压;圆筒;安全系数;数值计算【作者】李金科;张贤福;刘韫砚【作者单位】天华化工机械及自动化研究设计院,江苏南京210012;天华化工机械及自动化研究设计院,江苏南京210012;天华化工机械及自动化研究设计院,江苏南京210012【正文语种】中文【中图分类】TQ051.3;TQ050.2符号说明:Do——圆筒或换热管外径Di——圆筒或换热管内径E——弹性模量，MPaL——计算筒体长度，mmB——系数m——稳定性安全系数，取3.0n——圆筒失稳时波数ny——安全系数，取 2.4P——设计压力，MPaPcr——圆筒在外压作用下的临界压力，MPa［p］——许用外压力，MPaR——圆筒或换热管平均半径，mmRo——圆筒或换热管外半径，mmS——安全系数，取 1.5u——不圆度——设计温度下材料的屈服点，MPa［σ］t——设计温度下许用应力，MPaδe——圆筒或换热管的有效厚度，mmυ——泊松比，取 0.30 引言为了满足各种工艺或功能要求，经常会设计制造一些承受外压的壳体，如套管式换热器的内管、潜水容器等，它们在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩薄膜应力，其大小与受相等内压时的拉伸薄膜应力相同。
