第四章 外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì)(1)

2023/12/15第五章外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì)5.1概述5.2臨界壓力5.3外壓圓筒的工程設(shè)計(jì)5.5外壓圓筒加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)5.4外壓球殼與凸形封頭的設(shè)計(jì)2023/12/155.1.1外壓容器的失穩(wěn)1.外壓容器：殼體外部壓力大于殼體內(nèi)部壓力的容器實(shí)例：減壓精餾塔、真空冷凝器、夾套反應(yīng)釜等5.1概述2023/12/152、外壓薄壁容器的受力形式：內(nèi)壓薄壁圓筒：拉應(yīng)力，即σm=PD/4δ，σθ=PD/2δ。外壓薄壁圓筒：壓應(yīng)力，

失效形式：內(nèi)壓容器：強(qiáng)度破壞；外壓容器：很少因?yàn)閺?qiáng)度不足發(fā)生破壞，常常是因?yàn)閯偠炔蛔愣l(fā)生失穩(wěn)。2023/12/153、失穩(wěn)及其實(shí)質(zhì)失穩(wěn)：承受外壓載荷的殼體，當(dāng)外壓載荷增大到某一數(shù)值時(shí)，殼體會(huì)突然失去原來(lái)的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸除后，殼體不能恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱(chēng)為外壓殼體的失穩(wěn)。2023/12/15

5.1.2容器失穩(wěn)型式的分類(lèi)1、側(cè)向失穩(wěn)

容器由均勻側(cè)向外壓引起的失穩(wěn)，叫側(cè)向失穩(wěn)，特點(diǎn)是失穩(wěn)時(shí)，殼體橫斷面由原來(lái)的圓形變?yōu)椴ㄐ?，波?shù)可以是兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)……，如圖所示2023/12/15

2、軸向失穩(wěn)

容器承受軸向外壓，失穩(wěn)后，仍然具有圓形的橫截面，母線產(chǎn)生了波形。2023/12/155.2臨界壓力5.2.1臨界壓力的概念

臨界壓力：導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的最小壓力。以Pcr表示。5.2.2影響臨界壓力的因素1、筒體幾何尺寸的影響

主要考慮筒體的L/D和δ/D。

2023/12/15表5-1外壓圓筒穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)序號(hào)筒徑/mm筒長(zhǎng)/mm筒體中間有無(wú)加強(qiáng)圈壁厚/mm失穩(wěn)時(shí)的真空度/mm水柱失穩(wěn)時(shí)的波形數(shù)/個(gè)①90175無(wú)0.515004②90175無(wú)0.33004③90350無(wú)0.3120～1503④903501個(gè)0.33004比較①和②，L/D相同時(shí)，δ/D越大，臨界壓力越高；比較②和③，δ/D相同時(shí)，L/D越小，臨界壓力越高；比較③和④，δ/D，L/D相同時(shí)，有加強(qiáng)圈的，臨界壓力高。2023/12/15分析：（1）側(cè)向失穩(wěn)，圓筒環(huán)向纖維受彎，所以L/D相同時(shí)，δ/D越大，筒壁抵抗變形的能力越強(qiáng)，臨界壓力越高；（2）封頭的剛性較筒體的剛性強(qiáng)，所以δ/D相同時(shí)，L/D越小，臨界壓力越高；（3）加強(qiáng)圈對(duì)圓筒可以起到支撐作用，所以δ/D，L/D相同時(shí)，有加強(qiáng)圈的，臨界壓力高。計(jì)算長(zhǎng)度：指兩相鄰剛性支撐件（加強(qiáng)圈、封頭、法蘭等）的間距。

封頭的計(jì)算長(zhǎng)度為凸形封頭1/3的凸面高度。2023/12/155.2臨界壓力2、筒體材料性能的影響

圓筒失穩(wěn)時(shí)，在絕大多數(shù)情況下，筒壁內(nèi)的壓應(yīng)力并沒(méi)有達(dá)到材料的屈服點(diǎn)（即彈性失穩(wěn)）。故這種情況失穩(wěn)與材料的屈服點(diǎn)無(wú)關(guān)，只與材料的彈性模數(shù)E和泊松比μ有關(guān)。材料的彈性模數(shù)E和泊松比μ越大，其抵抗變形的能力就越強(qiáng)，因而其臨界壓力也就越高。但是，由于各種鋼材的E和μ值相差不大，所以選用高強(qiáng)度鋼代替一般碳素鋼制造并不能提高筒體的臨界壓力。2023/12/155.2臨界壓力3、筒體橢圓度和材料不均勻性的影響（1）穩(wěn)定性的破壞并不是由于殼體存在橢圓度或材料不均勻而引起的。無(wú)論殼體的形狀多么精確，材料多么均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)失穩(wěn)。（2）但是殼體的橢圓度與材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。橢圓度：e=（Dmax-Dmin）/DN，此處Dmax及Dmin分別為筒體同一橫截面上的最大及最小內(nèi)直徑，DN為圓筒的公稱(chēng)直徑。2023/12/155.2臨界壓力5.2.3長(zhǎng)圓筒、短圓筒、鋼性圓筒相對(duì)幾何尺寸兩端邊界影響臨界壓力失穩(wěn)波形數(shù)長(zhǎng)圓筒L/D0較大

忽略只與δe/D0有關(guān)，與L/D0無(wú)關(guān)

2短圓筒L/D0較小

顯著與δe/D0有關(guān)，與L/D0有關(guān)大于2的整數(shù)剛性圓筒L/D0較小δe/D0較大不失穩(wěn)2023/12/155.2臨界壓力

長(zhǎng)圓筒的臨界壓力與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，僅與圓筒厚與直徑的比值有關(guān)。1.長(zhǎng)圓筒臨界壓力：2.短圓筒臨界壓力：δe：筒體的有效壁厚，mm；

D0：筒體的外直徑，mm；

L：筒體的計(jì)算長(zhǎng)度，mm。

短圓筒的臨界壓力隨筒體計(jì)算長(zhǎng)度增加而減小。2023/12/153、剛性圓筒剛性圓筒不存在彈性失穩(wěn)而破壞的問(wèn)題，只需校核其強(qiáng)度是否足夠。其強(qiáng)度校核公式與計(jì)算內(nèi)壓圓筒的公式一樣，只是式中的許用應(yīng)力采用材料的壓縮許用應(yīng)力。2023/12/155.2臨界壓力5.2.5臨界長(zhǎng)度1、臨界長(zhǎng)度劃分長(zhǎng)、短和剛性圓筒之間的一個(gè)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)。外壓圓筒是長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長(zhǎng)度Lcr來(lái)判定。2、Lcr和Lcr/

當(dāng)圓筒處于臨界長(zhǎng)度Lcr時(shí)，用長(zhǎng)圓筒公式計(jì)算所得的臨界壓力值Pcr和用短圓筒公式計(jì)算的臨界壓力值Pcr/應(yīng)相等，即2023/12/155.2臨界壓力

計(jì)算長(zhǎng)度L＞Lcr時(shí)，圓筒為長(zhǎng)圓筒計(jì)算長(zhǎng)度L＜Lcr時(shí)，圓筒為短圓筒同理，當(dāng)圓筒處于臨界長(zhǎng)度Lcr′時(shí)，用短圓筒公式計(jì)算所得的臨界壓力值Lcr′和用剛性圓筒公式計(jì)算的最大允許工作壓力值[Pw]應(yīng)相等，此時(shí)求出的L即為L(zhǎng)cr′

。3、長(zhǎng)圓筒、短圓筒和剛性圓筒的定量描述若某圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則：

L＞Lcr，屬于長(zhǎng)圓筒；

Lcr′

＜L＜Lcr，屬于短圓筒；

L＜Lcr′

，

屬于剛性圓筒。2023/12/15

外壓筒體計(jì)算長(zhǎng)度L：指筒體上兩個(gè)剛性構(gòu)件如封頭、法蘭、加強(qiáng)圈之間的最大距離。對(duì)于凸形端蓋