化工設(shè)備實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 薄壁容器內(nèi)壓應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 測(cè)定薄壁容器承受內(nèi)壓作用時(shí)，筒體及封頭上的應(yīng)力分布。2. 比較實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論計(jì)算應(yīng)力，分析它們產(chǎn)生差異的原因。3. 了解“應(yīng)變電測(cè)法”測(cè)定容器應(yīng)力的基本原理和掌握實(shí)驗(yàn)操作技能。 二.實(shí)驗(yàn)原理 由中低容器設(shè)計(jì)的薄殼理論分析可知，薄壁回轉(zhuǎn)容器在承受內(nèi)壓作用時(shí)，圓筒壁上任一點(diǎn)將產(chǎn)生兩個(gè)方向的應(yīng)力，經(jīng)向應(yīng)力sm和環(huán)向應(yīng)力sq。在實(shí)際工程中，不少結(jié)構(gòu)由于形狀與受力較復(fù)雜，進(jìn)行理論分析時(shí)，困難較大；或是對(duì)于一些重要結(jié)構(gòu)在進(jìn)行理論分析的同時(shí)，還需對(duì)模型或?qū)嶋H結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定，以驗(yàn)證理論分析的可靠性和設(shè)計(jì)的精確性；所以，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析在壓力容器的應(yīng)力分析和強(qiáng)度設(shè)

2、計(jì)中有十分重要的作用。 現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法已有十幾種，而應(yīng)用較廣泛的有電測(cè)法和光彈法，其中前者在壓力容器應(yīng)力分析中廣泛采用?？捎糜跍y(cè)量實(shí)物與模型的表面應(yīng)變，具有很高的靈敏度和精度；由于它在測(cè)量時(shí)輸出的是電信號(hào)，因此易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)字化和自動(dòng)化，并可進(jìn)行無線電遙測(cè)；既可用于靜態(tài)應(yīng)力測(cè)量，也可用于動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量，而且高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)等特殊條件下可進(jìn)行測(cè)量。 電測(cè)法是通過測(cè)定受壓容器在指定部位的應(yīng)變狀態(tài)，然后根椐彈性理論的虎克定律可得： (1) (2) 通過“應(yīng)變電測(cè)法”測(cè)定容器中某結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)變，然后根椐以上應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，就可確定這些部位的應(yīng)力。而應(yīng)變、的測(cè)量是通過粘貼在結(jié)構(gòu)上的電阻應(yīng)變片來

3、實(shí)現(xiàn)的；電阻應(yīng)變片與結(jié)構(gòu)一起發(fā)生變形，并把變形轉(zhuǎn)變成電阻的變化，再通過電阻應(yīng)變儀直接可測(cè)得應(yīng)變值、，然后根椐< 2 >式可算出容器上測(cè)量位置的應(yīng)力值，利用電阻應(yīng)儀和預(yù)調(diào)平衡箱可同時(shí)測(cè)出容器上多個(gè)部位的應(yīng)力，從而可以了解容器受壓時(shí)的應(yīng)力分布情況。（2）式中E為彈性模量，為泊松比，實(shí)驗(yàn)材料為A3鋼。(1)。電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片：簡(jiǎn)稱“應(yīng)變片”或“電阻片”，是測(cè)量應(yīng)變的感受元件，是用直徑為0.20.5 m m的電阻率較高的金屬絲繞成柵后粘貼在兩層極薄的絕緣層之間構(gòu)成，如圖< 1 >所示。 我們知道，若應(yīng)變片的電阻在變形前為R，它與構(gòu)成電阻絲的材料，長(zhǎng)度和截面積的關(guān)系是： (

4、3) 當(dāng)電阻絲隨被測(cè)結(jié)構(gòu)一起變形時(shí)，r、l、s要發(fā)生變化，也隨之變化，其改變量為：( 將上式取對(duì)數(shù)后在微分 ) 其中： - 電阻絲直徑 則： -電阻絲的橫向應(yīng)變 e-電阻絲的軸向應(yīng)變 顯然。 - 泊松比 所以： 式 等式右邊用 帶入得 等式兩邊同除e得 實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)一定的材料，為常量。 令 所以 < 4 >這就是應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變值的關(guān)系，對(duì)于同一e值，K值越大則也越大；測(cè)量時(shí)，易得較高的精度，因此K值是反應(yīng)應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變敏感程度的物理量，稱為應(yīng)變片的“靈敏系數(shù)”，K值的大小與金屬絲的材料和應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，一般制造廠已給出具體的數(shù)值。（本實(shí)驗(yàn)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K=2.08）

5、(2)。電阻應(yīng)變儀 電阻應(yīng)變儀的基本原理就是將應(yīng)變片電阻的微小變化用電橋轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變化，其大致過程為：e應(yīng)變片 電橋 DV(DI) 放大器 放大的DV(DI) 檢流計(jì) 指示e讀數(shù) 電阻應(yīng)變儀就是實(shí)現(xiàn)上述過程的儀器。 圖 2 a. 電橋的工作原理 如圖（2）所示的電路，若在AC端加電壓V，則BD端)輸出電壓是： < 5 > 電路中R1若為粘貼在容器上應(yīng)變片的電阻值，稱為“工作片”，R2為與工作片類型相同且電阻值相等的電阻片，其作用是抵消由于溫度變化引起的電阻變化對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響，使所測(cè)的電阻變化僅反應(yīng)應(yīng)變引起的電阻變化，稱為“溫度補(bǔ)償片”。一般是粘貼在與被測(cè)構(gòu)件相同的“補(bǔ)償極

6、”上，但補(bǔ)償板不受力作用。放在工作片附近以兩者處于相同的環(huán)境溫度下，以消除溫度影響的目的。 R3，R4為應(yīng)變儀內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻，對(duì)于VBD的變化僅考慮工作片隨容器受壓時(shí)應(yīng)變引起的電阻變化。 < 5 >式中，對(duì)R1求偏導(dǎo)數(shù)。 因 R1R2 故 < 6 > 改用增量表示：D VBD < 7 > DVBD = < 7，> 上式表明：電橋的輸出電壓變化DVBD與測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變e成正比。 b：電阻應(yīng)變儀 電阻應(yīng)變儀的工作原理如圖< 3 >所示。圖 3 三.實(shí)驗(yàn)裝置 應(yīng)變電測(cè)系統(tǒng)由傳感元件（電阻應(yīng)變片）和測(cè)量?jī)x器二部分組成。本實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變片為膠基箔式應(yīng)變片

7、（R片120 W ）應(yīng)變儀為YJ25型，與P20R25型預(yù)調(diào)平衡箱配合使用，可進(jìn)行多點(diǎn)應(yīng)力測(cè)量。 加壓采用手動(dòng)油泵，裝置如圖< 4 >所示 1.手搖油泵; 2.針形閥; 3.試壓容器; 4.工作片; 5.壓力表; 6.放空閥; 7.卸壓閥; 8.溫度補(bǔ)償片； 圖 4 實(shí)驗(yàn)用容器規(guī)格及應(yīng)變片布置圖如圖< 5 >所示。 圖 5四.實(shí)驗(yàn)過程 本實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)定圓形筒體和橢圓封頭的主應(yīng)力及分布情況，容器圓筒直邊到封頭頂點(diǎn)共貼有10片應(yīng)變花，在平衡箱上1、2表示第1點(diǎn)的經(jīng)向和環(huán)向，3、4表示第2點(diǎn)的經(jīng)向和環(huán)向，以此類推，可測(cè)出10個(gè)點(diǎn)的經(jīng)向和環(huán)向應(yīng)力，由此可以大致得出封頭和直邊的應(yīng)

8、力分布狀態(tài)。具體實(shí)驗(yàn)操作可按下面過程進(jìn)行。 < 1 >. 儀器及應(yīng)變片的預(yù)調(diào)平衡 本實(shí)驗(yàn)采用的YJ25型電阻應(yīng)變儀和P20R25型平衡箱使用方法為：1. 應(yīng)變儀背后接上電橋盒，接通電源，按下電源開關(guān)。2. 按下“基零”開關(guān)，調(diào)節(jié)“基零”電位器，使顯示為±0000。3. 再按上“測(cè)量”開關(guān)，調(diào)節(jié)“電阻平衡”電位器，使顯示為±0000，這時(shí)，將“粗、細(xì)”開關(guān)應(yīng)置于“細(xì)”，若調(diào)零無法調(diào)到±0000時(shí)，則按下“粗”。4. 調(diào)整靈敏系數(shù)盤，使指示K值于“2.00”。5. 將后面板開關(guān)置于“標(biāo)定”檔，調(diào)節(jié)“靈敏度”電位器，使標(biāo)定值顯示為 - 10000。（注：必須

9、使用電橋盒），然后打置“電橋盒”檔。6. 反復(fù)幾次調(diào)平衡（零點(diǎn)）和標(biāo)定值讀數(shù)（-10000）。7. 再次按上“測(cè)量”按紐，背后轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“轉(zhuǎn)換器”檔，拔掉電橋盒，通過連接線與平衡箱連接，將靈敏系數(shù)盤調(diào)整到2.08（本實(shí)驗(yàn)）。8. 轉(zhuǎn)動(dòng)平衡箱檔位，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的電位器，使顯示讀數(shù)為0，如不能調(diào)節(jié)為0，則記錄相應(yīng)的數(shù)值，此數(shù)值為對(duì)應(yīng)應(yīng)變片的初值。平衡箱上120點(diǎn)都應(yīng)進(jìn)行預(yù)調(diào)平衡。 應(yīng)變儀和預(yù)調(diào)平衡箱都達(dá)到平衡狀態(tài)就可對(duì)實(shí)驗(yàn)容器加壓，測(cè)量各點(diǎn)應(yīng)變。 < 2 > . 加壓測(cè)量1. 打開針形閥，擰開泵體上的卸壓螺釘，開啟容器放空閥，搖動(dòng)試壓泵手柄，對(duì)容器加油至油從放空閥溢出，以排盡容器內(nèi)的氣體

10、，最后關(guān)閉放空閥。2. 試驗(yàn)時(shí)加壓順序?yàn)椋簤毫為0 ¾ 0.5 ¾ 1（MPa），加壓應(yīng)緩慢平穩(wěn)，且待壓力穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量，并記錄各壓力等級(jí)下的應(yīng)變值。3. 卸壓時(shí)擰松卸壓螺釘，使容器內(nèi)的油回流到油槽，卸壓順序：P1 ¾ 0.5 ¾ 0（MPa），卸壓過程中，注意觀察壓力表的指示數(shù)，待降到預(yù)定值，立即擰緊卸壓螺釘，待壓力穩(wěn)定后，記錄應(yīng)變值。五。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 < 1 >. 簡(jiǎn)述靜態(tài)電測(cè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的基本原理和方法。 < 2 >. 根椐實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整理實(shí)驗(yàn)記錄和數(shù)據(jù)，將應(yīng)變值代入公式（2）計(jì)算為應(yīng)力值，并繪制被測(cè)容器的筒體及封頭的應(yīng)力分布

11、圖。< 3 >. 取筒體和封頭各一點(diǎn)計(jì)算其理論應(yīng)力值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，對(duì)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行討論分析。附： 應(yīng)力應(yīng)變記錄表：點(diǎn)號(hào)片號(hào)初值0.5MPa1MPa0.5MPa應(yīng)變值應(yīng)力值應(yīng)變值應(yīng)力值應(yīng)變值應(yīng)力值112234356478591061112713148151691718101920實(shí)驗(yàn)二 外壓容器的失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 觀察薄壁容器在外壓作用下喪失穩(wěn)定的現(xiàn)象。2. 測(cè)定圓柱形薄壁容器在外壓作用下喪失穩(wěn)定的臨界壓力，并與理論值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證臨界壓力公式。3. 觀察試件失穩(wěn)后的波數(shù)和波形。二.實(shí)驗(yàn)原理 容器在受內(nèi)壓時(shí)，當(dāng)器壁內(nèi)的應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時(shí)，便引起容器的破壞。對(duì)于

12、在某一外壓作用下的容器，往往強(qiáng)度能滿足要求，即器壁內(nèi)的壓應(yīng)力還未達(dá)到材料的極限強(qiáng)度時(shí)，殼體會(huì)突然失去原來的形狀而出現(xiàn)被壓癟呈現(xiàn)幾個(gè)波形。薄壁容器在失穩(wěn)前所能承受的最大外壓力稱為臨界壓力；臨界壓力與波數(shù)決定于容器的長(zhǎng)度對(duì)直徑的比值及壁厚對(duì)直徑的比值。因此，對(duì)外壓容器而言，既有強(qiáng)度問題，還有穩(wěn)定性問題。 容器喪失穩(wěn)定性的原因，絕非容器殼體不圓，即使是非常圓的殼體也會(huì)喪失穩(wěn)定性；當(dāng)然，殼體不圓，容器容易喪失穩(wěn)定，即它的臨界壓力下降。容器喪失穩(wěn)定性的道理和壓桿失穩(wěn)的道理類同，外壓容器的臨界壓力Pcr與下面因素有關(guān)。 < 1 >. 長(zhǎng)度與直徑之比； < 2 >. 厚度與直徑之比；

13、 < 3 >. 材料的物理性質(zhì)； 按失效情況，受外壓的圓筒殼體有長(zhǎng)圓筒、短圓筒之分。用臨界長(zhǎng)度（Lcr )來作為劃分長(zhǎng)、短圓筒的界限，當(dāng)其長(zhǎng)度超過臨界長(zhǎng)度時(shí)，屬于長(zhǎng)圓筒范圍。反之屬于短圓筒。臨界長(zhǎng)度可按下列公式計(jì)算： ( cm ) ( 1 ) 長(zhǎng)圓筒的臨界壓力公式為： ( Kgf / cm2 ) ( 2a ) 對(duì)于鋼制圓筒，取m=0.3，則上式可寫成 ( Kgf / cm2 ) ( 2b ) 短圓筒的臨界壓力公式可按下式進(jìn)行近似計(jì)算： ( Kgf / cm2 ) ( 3 ) 鋼制圓筒的失穩(wěn)波數(shù) ( 4 ) 以上諸公式中:D¾¾圓筒中間面的直徑 ( cm )S0&

14、#190;¾減去壁厚附加量的壁厚 ( cm ) L¾¾圓筒的長(zhǎng)度. ( cm )E¾¾彈性模數(shù)，碳鋼取E=1.96´106 ( Kgf / cm2 )¾¾泊桑系數(shù)，碳鋼取 m=0.3三.實(shí)驗(yàn)裝置 手搖試壓泵： 2緩沖罐：試驗(yàn)容器：薄皮墊：型橡膠墊偏置壓塊：。有機(jī)玻璃壓蓋：。密封圈：壓蓋：。試件：軸向支撐件：緩沖罐減壓閥：放空閥：.卸壓閥：緩沖罐壓力表：試壓容器壓力表： 圖 一 本實(shí)驗(yàn)裝置由手搖泵，緩沖罐、試驗(yàn)容器等組成（圖一），試驗(yàn)容器由螺栓與平板壓蓋9相連接，平板中心開有圓孔，下墊一塊中心開孔的橡皮墊相連接，再下

15、面貼一塊中心開孔的薄鐵皮，試驗(yàn)時(shí)將試件壓入橡皮墊的孔內(nèi)當(dāng)容器內(nèi)的壓力升高時(shí)，液壓將墊片壓緊而建立密封；為了消除軸向力對(duì)試件的影響，試件中放入支撐件11，支撐件上端頂在壓蓋7上壓蓋中部是有機(jī)玻璃，以觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)試件的壓扁過程實(shí)驗(yàn)采用的試件為瓷杯，工具有游標(biāo)卡尺、內(nèi)卡、外卡、鋼皮尺及扳手和鉗子等四.實(shí)驗(yàn)步驟試件放入前，準(zhǔn)確測(cè)量試件的長(zhǎng)度，直徑和壁厚，按每隔測(cè)量一次，取其平均值將試件放入實(shí)驗(yàn)裝置的試壓容器內(nèi)，使橡皮緊扣在試件的開口端，以達(dá)到密封作用；放入支撐件，再在試件上端放置好墊圈，用有機(jī)玻璃壓蓋壓住，最后將偏置壓塊壓住，擰緊螺釘先關(guān)閉閥門a，利用試壓泵給緩沖罐加壓到一定壓力，停止加壓；然后打開閥門，緩慢給試壓容器放壓，直至試件失穩(wěn)，并記下壓力計(jì)讀數(shù)打開閥門C，待試壓容器內(nèi)壓力下降到后，松開偏置壓塊，取出失穩(wěn)試件，觀察其壓扁情況，并測(cè)出失穩(wěn)波數(shù)五.實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求列表詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)所