外压圆筒与封头的设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上一内容,下一内容,回主目录,返回,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,2024/10/3,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,2024/10/3,5.1,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,m,=pD/4S,，,=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。,2024/10/3,5.1,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,2024/10/3,5.1,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,2024/10/3,5.2,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,p,cr,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,有关。材料的弹性模数,E,和泊松比,越大，其抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。,2024/10/3,5.2,临界压力,但是，由于各种钢材的,E,和,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。,2024/10/3,5.2,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/D,0,较大,忽略,只与,Se/D,0,有关，与,L/D,0,无关,2,短圆筒,L/D,0,较小,显著,与,Se/D,0,有关，与,L/D,0,有关,大于,2,的整数,刚性圆筒,L/D,0,较小,S,e,/D,0,较大,不失稳,2024/10/3,5.2,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。,2024/10/3,5.2,临界压力,2024/10/3,5.2,临界压力,2024/10/3,5.2,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,、,L,cr,和,L,cr,/,当圆筒处于临界长度,L,cr,时，用长圆筒公式计算所得的临界压力值,p,cr,和用短圆筒公式计算的临界压力值,p,cr,/,应相等，即,2024/10/3,5.2,临界压力,同理，当圆筒处于临界长度,L,cr,/,时，用短圆筒公式计算所得的临界压力值,p,cr,/,和用刚性圆筒公式计算的最大允许工作压力值,p,w,应相等，即,此时求出的,L,即为,L,er,/,。,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,L,cr,，,属于长圆筒；,L,er,/,L,L,cr,，,属于短圆筒；,L,L,cr,/,，,属于刚性圆筒。,2024/10/3,5.3,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,p,许用外压力，,Mpa,m ,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,p,c,p,=,p,cr,/m,，并接近,p,。,2024/10/3,5.3,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,D,o,/S,e,20,的圆筒和管子,2,）对,D,o,/S,e,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,p,T,=1.25p,气压试验,p,T,=1.15p,式中,P,设计压力，,Mpa,；,P,T,试验压力，,Mpa,。,2024/10/3,5.3,外压圆筒的工程设计,2024/10/3,5.4,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,S,n,，令,S,e,S,n,C,，定出,R,o,/S,e,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,2024/10/3,5.4,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,p,c,与,p,，若,p,c,p,，则需再假设,S,n,，重复上述计算步骤，直至,p,大于且接近,p,c,时为止,。,2024/10/3,5.4,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,2024/10/3,5.5,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,D,o,、,S,e,已经确定，使该筒体安全承受所规定的外压,p,c,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：,2024/10/3,5.5,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,）,1,5.5.3,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,8S,n,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,。,2024/10/3,5.5,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。,2024/10/3,