內(nèi)和外壓容器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)及報(bào)告

1、 過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 制定人：楊審核人：崔政偉 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2015年11月 實(shí)驗(yàn)一 內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1了解薄壁容器在內(nèi)壓作用下，筒體、錐型封頭、半球封頭、橢圓封頭的應(yīng)力分布情況；驗(yàn)證薄壁容器相關(guān)應(yīng)力計(jì)算的理論公式。 2熟悉和掌握電阻應(yīng)變片粘貼技術(shù)的方法和步驟。 3掌握用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集測(cè)量?jī)x器測(cè)量應(yīng)變的原理和操作方法。 二實(shí)驗(yàn)任務(wù) 1 列表記載各項(xiàng)數(shù)據(jù)（附表記載內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)變值測(cè)定結(jié)果）。 2 根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算出各點(diǎn)壓力時(shí)筒體及封頭相關(guān)點(diǎn)的經(jīng)向及環(huán)向應(yīng)力。 3. 比較實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力值與理論值之間的偏差并分析和討論。 三、實(shí)驗(yàn)原理 1理論計(jì)算 （

2、1）根據(jù)薄壁殼體的無(wú)力矩理論可以求得受內(nèi)壓的薄壁容器筒體部分的應(yīng)力值： 經(jīng)向應(yīng)力（軸向應(yīng)力） ttDpi4)(? 環(huán)向應(yīng)力（周向應(yīng)力） ttDpi2)(? （2）錐形殼體部分的應(yīng)力（相關(guān)尺寸見(jiàn)右圖，=30） 22cospxtgprtt? 2cospRpxtgprttt? 錐形殼體上經(jīng)向應(yīng)力、周向應(yīng)力與x呈 線(xiàn)性關(guān)系，離錐頂越遠(yuǎn)應(yīng)力越大； （3）半球封頭上各點(diǎn)的應(yīng)力 ?=ttDpi4)(? （4）橢圓封頭上各點(diǎn)的應(yīng)力（相關(guān)尺寸見(jiàn)右圖a/b=2） rp?o? ?在殼體頂點(diǎn)處 2212(0,),2apaxybRRbbt?; 式中：p容器所受內(nèi)壓力（MPa） iD容器內(nèi)直徑（mm） t容器壁厚（mm）

3、 ?經(jīng)向應(yīng)力 ?環(huán)向應(yīng)力 2實(shí)驗(yàn)測(cè)定： （1）應(yīng)力測(cè)定的基本原理： 薄壁容器受內(nèi)壓后，器壁各點(diǎn)均處于兩向受力狀態(tài)，當(dāng)其變形在彈性范圍以?xún)?nèi)，容器壁各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變符合虎克定律，即： )(12txxE? )(12xttE? 故只要測(cè)得容器壁的徑向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，即可根據(jù)虎克定律求得x?和t?（304不銹鋼彈性模量和泊松比分別為0.195和0.3）。 （2）用電阻應(yīng)力儀測(cè)量應(yīng)變的原理： 電阻應(yīng)變測(cè)量法是測(cè)定壓力容器筒壁應(yīng)變的常用方法之一。其測(cè)量裝置由三部分組成：即電阻應(yīng)變片，連接導(dǎo)線(xiàn)和電阻應(yīng)變儀。常用的電阻應(yīng)變片是很細(xì)的金屬電阻絲粘于絕緣的薄紙上而成。見(jiàn)圖一所示，將此電阻片用特殊的膠合劑貼在容器壁欲測(cè)

4、之部位。當(dāng)容器受內(nèi)壓作用發(fā)生變形時(shí)，電阻絲隨之而變形。電阻絲長(zhǎng)度及截面的改變引起其電阻值的相應(yīng)改變，則可以用電阻應(yīng)變儀測(cè)出電阻的改變，再換算成應(yīng)變，直接由應(yīng)變儀上讀出。 電阻絲的應(yīng)變與電阻的改變有如下的關(guān)系： llKRR? 式中： RR?電阻絲單位電阻改變 ll?電阻絲單位長(zhǎng)度改變（如電阻片與器壁完全一起變形，即無(wú)器壁之應(yīng)變。） K靈敏系數(shù)，與電阻絲的物理性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于一定的電阻片而言，K為常數(shù)。 由于電阻絲的電阻R和K值對(duì)于一定的電阻片為一已知值，故只要測(cè)得R （電阻絲 圖1 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 電阻改變）就可以求出?值。電阻應(yīng)變儀是采用電橋測(cè)量原理測(cè)出R并換成? （即為6101）的變形量。 簡(jiǎn)

5、單的電橋測(cè)量原理見(jiàn)圖2. 圖中：測(cè)量電阻?MR 補(bǔ)償電阻?KR 橋臂電阻?1R 保護(hù)電阻ZR 可調(diào)橋臂電阻?R 當(dāng)電橋平衡（即檢流計(jì)中無(wú)電流通過(guò)）時(shí)： 1RRRRKM? 或 KRRRKM1? 當(dāng)MR有MR變動(dòng)時(shí)（如電阻應(yīng)變片電阻絲由于變形而發(fā)生阻值的改變），可調(diào)電阻R改變R后使電橋重新達(dá)到平衡。把R換算成?，就可以直接在應(yīng)變儀上讀出。 補(bǔ)償電阻KR用以消除因溫度影響而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，它與測(cè)量電阻MR阻值相同并在同一溫度條件下，但不承受載荷，故對(duì)MR受溫度影響有補(bǔ)償作用。 3、實(shí)驗(yàn)裝置 試驗(yàn)容器的筒體內(nèi)徑為300mm，壁厚為8mm，因加工過(guò)程特別是封頭擠壓成型過(guò)程中壁厚減薄產(chǎn)生誤差，具體詳細(xì)尺寸

6、如圖3所示： 圖2 電橋測(cè)量原理圖 b b 圖3 筒體結(jié)構(gòu)示意圖 四、實(shí)驗(yàn)方法（步驟）： 1了解試驗(yàn)裝置（包括管路、閥門(mén)、容器、壓力自控泵等在實(shí)驗(yàn)裝置中的功能和操作方法）及電阻片粘貼位置，測(cè)量電氣線(xiàn)路，轉(zhuǎn)換旋鈕等。 2電阻片的粘貼步驟和方法： （1）根據(jù)選擇的測(cè)點(diǎn)位置，按筒體的經(jīng)線(xiàn)和緯線(xiàn)方向用劃針或鉛筆劃出測(cè)點(diǎn)的位置及方向；以后再用棉球、丙酮等除去污垢。 （2）測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值，（電阻應(yīng)變片的電阻值一般為120，相差太多不可用）。 （3）開(kāi)始粘貼應(yīng)變片應(yīng)注意：將泵的泄壓閥門(mén)打開(kāi)保證筒體的壓力為0；粘貼應(yīng)變片的部 位需清洗干凈。 （4）將“502”膠液均勻分布在電阻片的背面（注意：膠液均均

7、勻涂在電阻片反面，不可太多，引出線(xiàn)須向上）。隨即將電阻片粘貼在欲測(cè)部位，并用濾紙墊上，施加接觸壓力要用力平按，擠出貼合面多余膠水及氣泡（注意：電阻絲方向應(yīng)與測(cè)量方向一致，即應(yīng)變片方向要保持軸向和周向；用手指按緊一分鐘左右）。 （5）在電阻片引出線(xiàn)下墊接線(xiàn)端子（用膠液粘貼），用于電阻應(yīng)變片的引出線(xiàn)和測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)的焊接連接（測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)和儀器的連接已由實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備好）；焊接過(guò)程需要絕對(duì)保證應(yīng)變片的兩根電阻絲不能短路，且電阻絲與筒體表面絕緣。 （6）電阻片的粘貼步驟和方法可由指導(dǎo)教師講清要點(diǎn)和示范粘貼后再進(jìn)行，所有粘貼的電阻片和焊接接線(xiàn)經(jīng)指導(dǎo)教師檢查合格后，再進(jìn)入應(yīng)變測(cè)量?jī)x器測(cè)量的調(diào)節(jié)步驟。 3使用HPJY-

8、100X 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試 （1）新建作業(yè)，新建一個(gè)作業(yè)準(zhǔn)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 （2）參數(shù)設(shè)置，分別將四個(gè)模塊均設(shè)置成1/4橋，將彈性模量和泊松比分別設(shè)置為0.195和0.3。 （3）控制調(diào)零，調(diào)零后點(diǎn)擊開(kāi)始采集，觀察各個(gè)測(cè)（即貼片點(diǎn)）的應(yīng)變值，若應(yīng)變值不接近為零，需要再次調(diào)零。 （4）開(kāi)始采集，點(diǎn)開(kāi)始鍵，開(kāi)始對(duì)容器加壓，在壓力為1MPa時(shí)點(diǎn)擊停止鍵停止，觀察記錄下各個(gè)測(cè)點(diǎn)（即貼片點(diǎn)）的應(yīng)變值（?）和應(yīng)力值（MPa）并保存數(shù)據(jù)，繼續(xù)點(diǎn)開(kāi)始鍵，對(duì)容器加壓力，在2MPa和3MPa時(shí)同上處理。 五、注意事項(xiàng)： 1 對(duì)儀器、工具、藥品等要注意愛(ài)惜，節(jié)約使用濾紙、棉球、丙酮、膠水、電阻片等消耗品；實(shí)

9、驗(yàn)結(jié)束后，藥品、工具等要加以整理和清潔。 2 應(yīng)變儀屬于精密電子儀器，故在轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)及調(diào)節(jié)盤(pán)宜時(shí)要輕巧緩慢，禁止在尚未熟悉使用儀器前任意撥動(dòng)開(kāi)關(guān)。 3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及儀器調(diào)試完備，經(jīng)指導(dǎo)老師檢查后方可升壓進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量過(guò)程中應(yīng)避免設(shè)備、導(dǎo)線(xiàn)移動(dòng)，以免引起接觸電阻的改變。 4 容器加、減壓應(yīng)緩慢進(jìn)行，待壓力穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量。 5 各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果最后須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查并認(rèn)可，整理好儀器設(shè)備，打掃現(xiàn)場(chǎng)方可離開(kāi)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。 附表： 一、錐形封頭 壓力M1.02.03.0片方應(yīng)變值1?1軸2周3軸4周5軸 6 周向 四 7 軸向 8 周向 二、筒體（錐形封頭） 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方

10、向 應(yīng)變值（6101?） 五 9 軸向 10 周向 六 11 軸向 12 周向 三、球形封頭 壓力M1.02.03.0片方應(yīng)變值1?1軸2周 二3軸 4 周向 四、筒體（橢圓封頭） 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 三 5 軸向 6 周向 四 7 軸向 8 周向 五、橢圓封頭 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 五 9 軸向 10 周向 實(shí)驗(yàn)二 外壓薄壁圓筒形容器失穩(wěn)實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1. 觀察薄壁圓筒形容器在外壓作用下喪失穩(wěn)定性后的形態(tài)。 2. 測(cè)定圓筒形容器失去穩(wěn)定性時(shí)的臨界壓力并與理論值相比較。

11、 二實(shí)驗(yàn)任務(wù) 1. 列出測(cè)量所得的試件幾何尺寸數(shù)據(jù)。 2. 驗(yàn)算波紋數(shù)n。 3. 計(jì)算容器的臨界壓力并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。 4. 討論、分析試驗(yàn)結(jié)果，分析誤差原因。 三、實(shí)驗(yàn)原理： 1. 圓筒形容器在外壓作用下，常因剛度不足使容器失去原有形狀，即被壓扁或折曲成波形，這就是容器的失穩(wěn)現(xiàn)象，容器失去穩(wěn)定性時(shí)的外壓力，成為容器的臨界壓力，用crp 表示。圓筒形容器失去穩(wěn)定性后，其橫截面被折成波形，波數(shù)n可能是1，2，3，4，?等任意整數(shù),如圖一所示。 容器承受臨界值的外壓力而失去穩(wěn)定性，決非是由于容器殼體本身不圓的緣故，即是絕對(duì)圓的殼體也會(huì)失去穩(wěn)定性。當(dāng)然如殼體不圓（具有橢圓度）容器更容易失穩(wěn)，即它的

12、臨界壓力值會(huì)下降。 根據(jù)外壓容器筒體的長(zhǎng)短，可分為長(zhǎng)圓筒，短圓筒和剛性圓筒三種，剛性圓筒一般具有足夠的剛度，可不必考慮穩(wěn)定性問(wèn)題。但長(zhǎng)圓筒，短圓筒必須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，它們的臨界壓力crp值大小主要與厚壁(t)，外直徑(0D)，長(zhǎng)度（L）有關(guān)。亦受材料彈性模數(shù)(E)，泊桑比(?) 影響。所謂長(zhǎng)圓筒，短圓筒之分，并不是指它們的絕對(duì)長(zhǎng)度，而是與直徑壁厚有 圖一 圓筒形容器失去穩(wěn)定后的形狀 關(guān)的相對(duì)長(zhǎng)度。一般長(zhǎng)圓筒、短圓筒之間的劃分用臨界長(zhǎng)度crL表示。如容器長(zhǎng)度LcrL為長(zhǎng)圓筒，反之為短圓筒。臨界長(zhǎng)度crL由下式確定： tDDLcr0017.1? 長(zhǎng)圓筒：長(zhǎng)圓筒失穩(wěn)時(shí)的波數(shù)n=2，臨界壓力crp僅與

13、0Dt有關(guān)，而與0DL無(wú)關(guān)。crp值可由下式計(jì)算： 32)(12DtEpcr? 短圓壁：短圓筒失去穩(wěn)定性時(shí)，波數(shù)n2,如為3，4，5?，其波數(shù)n可近似為： 42)()(06.7DtDLn? 臨界壓力可由下式計(jì)算： tDLDEtpcr00259.2? 對(duì)于外壓容器臨界壓力的計(jì)算，有時(shí)為計(jì)算簡(jiǎn)便起見(jiàn)，可借助于一些現(xiàn)成的計(jì)算圖來(lái)進(jìn)行。 2.4 周向三 5 軸向6 四 7 8 壓力（aMP）點(diǎn)號(hào) 片號(hào)三 5 6 四 7 壓力（點(diǎn)號(hào) 片號(hào)五 9 10 1 1.0 2.0 3.0 2 44 3 周向 軸向 方向 應(yīng)變值（6101?） aMP） 1.0 2.0 3.0 周向軸向 方向 5 6 應(yīng)變值（610

14、1?） 周向軸向軸向周向 7 8 9 10 10 實(shí)驗(yàn)裝置： 圖二 外壓圓筒失穩(wěn)裝置實(shí)驗(yàn) 1-橫梁 2-壓緊螺母 3-密封螺母 4-壓緊法蘭 5-6-外壓圓筒 7-心軸 8-圓筒底墊塊 9-透明容器 10-工作臺(tái) 四、實(shí)驗(yàn)方法（步驟）： 1. 測(cè)量試件的有關(guān)參數(shù)：壁厚(t)，直徑(0D)，長(zhǎng)度（L）。用千分卡測(cè)壁厚，用游標(biāo)卡尺測(cè)內(nèi)直徑（便于精確測(cè)量）和長(zhǎng)度，外直徑0D由內(nèi)直徑加壁厚得到。各參數(shù)分別測(cè)量?jī)傻饺?，?jì)算時(shí)取平均值。 2. 按圖二所示安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，先用手搖泵將透明容器內(nèi)的水升至容器的約三份之二處;將外壓圓筒試件6置于平板頂蓋上，試件與平頂蓋間用墊片5密封（試件折邊上下各放一墊片）；用

15、壓緊法蘭4通過(guò)四個(gè)密封螺母2將試件壓緊到平板頂蓋上。 3. 將圓筒底墊塊8 (一大一小) 置于外壓圓筒底部，把用心軸7置于圓筒底墊塊的中心孔中,再將橫梁1壓在心軸7上，通過(guò)兩個(gè)壓緊螺母2上緊 (用手旋緊既可)；以此抵消試件承受的軸向載荷。 4. 打開(kāi)壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)好流量，緩慢升壓至試件破壞為止（試件破壞時(shí)有輕微的響聲），記下容器的失穩(wěn)壓力（即有輕微響聲時(shí)的瞬間壓力,此壓力為臨界壓力crp）。失穩(wěn)后需快速關(guān)閉壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)。如壓縮機(jī)中途關(guān)閉停機(jī)，重新開(kāi)機(jī)時(shí)須將壓力卸到零方能啟動(dòng)。 5. 打開(kāi)壓縮機(jī)卸壓開(kāi)關(guān)，待壓力為零后取出試件，觀察失穩(wěn)后試件的形狀并記下波紋數(shù)。 6. 關(guān)閉壓縮機(jī)的電源開(kāi)關(guān)，清理好

16、實(shí)驗(yàn)備件和工具。 五、注意事項(xiàng)： .實(shí)驗(yàn)時(shí)施壓過(guò)程中緩慢旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣旋鈕，不要說(shuō)話(huà)和走動(dòng)，眼睛看著壓力表并注意凝聽(tīng)容器失穩(wěn)瞬間的爆破聲，記住失穩(wěn)瞬間壓力表最高壓力值。 過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 學(xué)號(hào) 日期 江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程系 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)一 內(nèi)壓薄壁容器應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn) 班級(jí)_學(xué)號(hào) _ 姓名 _ 日期_機(jī)臺(tái)號(hào)_成績(jī)_ 第1部分 預(yù)習(xí) （20分） 1.應(yīng)變片由哪幾部分構(gòu)成? 電阻片正面和反面中間絕緣紙的作用是什么?(5分) 2.電阻應(yīng)變測(cè)量的原理是什么?(5分) 3.為什么要用補(bǔ)償片?(5分) 4. 緊靠電阻片引出線(xiàn)下粘貼接線(xiàn)端子的目的是什么? 焊接過(guò)程需要注意什么?(5分)

17、 實(shí)驗(yàn)評(píng)定_指導(dǎo)教師_日期_ 第2部分 報(bào) 告 （80分） 一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3分) 二. 實(shí)驗(yàn)裝置、儀器（名稱(chēng)、型號(hào)）（3分） 三實(shí)驗(yàn)記錄、計(jì)算結(jié)果 1各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值（10分） (1)、錐形封頭 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 一 1 軸向 2 周向 二 3 軸向 (2)、筒體（錐形封頭） 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 五 9 軸向 10 周向 六 11 軸向 12 周向 (3)、球形封頭 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 一 1 軸向 2 周向 二

18、3 軸向 4 周向 (4)、筒體（橢圓封頭） 8 周向 (5)、橢圓封頭 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 五 9 軸向 10 周向 2.各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值（10分） (1)、錐形封頭 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 一 1 軸向 2 周向 二 3 軸向 4 周向 三 5 軸向 6 周向 四 7 軸向 8 周向 (2)、筒體（錐形封頭） 六 11 軸向 12 周向 (3)、球形封頭 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 一 1 軸向 2 周向 二 3 軸向 4 周向 (4)、筒體（橢圓封頭） 壓力（MP） 1.0 2.0 3.0 a點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 5 軸向 三 6 周向 四 7 軸向 8 周向 (5)、橢圓封頭 壓力（aMP） 1.0 2.0 3.0 點(diǎn)號(hào) 片號(hào) 方向 應(yīng)變值（6101?） 五 9 軸向 10 周向 3誤差計(jì)算 a.計(jì)算實(shí)驗(yàn)值與理論值的誤差：（筒體任意2到3點(diǎn)：P=2.0MPa；） （5分） b.計(jì)算實(shí)驗(yàn)