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1、内压薄壁容器应力测定实验内压薄壁容器应力测定实验实验指导书实验指导书北京化工大学机电学院北京化工大学机电学院过程装备与控制工程系过程装备与控制工程系2实验一、内压薄壁容器应力测定实验实验一、内压薄壁容器应力测定实验一一、实验目的1掌握电阻应变测量原理；2学习电阻应变仪的使用方法，学习电阻应变片的贴片和接线技术；3了解封头在内压作用下的应力分布规律。二二、实验原理1. 应力计算：薄壁压力容器主要由封头和圆筒体两个部分组成，由于各部分曲率不同，在它们的连接处曲率发生突变。受压后，在连接处会生产边缘力系边缘力矩和边缘剪力。使得折边区及其两侧一定距离内的圆筒体和封头中的应力分布比较复杂，某些位置会出现
2、较高的局部应力。利用电阻应变测量方法可对封头和与封头相连接的部分圆筒体的应力分布进行测量。应力测定中用电阻应变仪来测定封头各点的应变值，根据广义虎克定律换算成相应的应力值。由于封头受力后是处于二向应力状态，在弹性范围内用广义虎克定律表示如下：经向应力： (1-1)21211E环向应力： (1-2)12221E式中：E材料的弹性模量材料的波桑比1经向应变2环向应变。椭圆封头上各点的应力理论计算公式如下：经向应力： （1-3） bbaxa sp r21 22242环向应力： （1-4） 2224421 2224 22baxaa bbaxa sp 32电阻应变仪的基本原理：电阻应变仪将应变片电阻的微
3、小变化，用电桥转换成电压电流的变化。其过程为：放大器或电桥应变片IVRdR将指示或纪录检流计或纪录仪放大或IV将电阻应变片用胶水粘贴在封头外壁面上，应变片将随封头的拉伸或压缩一起变形，应变片的变形会引起应变片电阻值的变化，二者之间存在如下关系： (1-5)KLlKRR式中：R/R电阻应变片的电阻变化率L/L电阻应变片的变形率K电阻应变片的灵敏系数； 封头的应变。3. BZ2205C 型静态电阻应变仪1) 电阻应变仪的组成：(1) 构件变形的感受和转换部分电阻应变片；(2) 被转换量的传递和放大部分；(3)记录及读数部分。其方框图见图 1-1。图 1-1 电阻应变仪原理图4图 1-2 接线图三、
4、三、实验装置实验装置（图 1-1）为两个带有不同封头的容器，容器 A 的一端为带折边锥形封头，另一端为圆平板封头；容器 B 的一端为椭圆封头，另一端为球形封头。1. 手动试压泵 2. 内压实验容器 A 3. 压力表 4. 压力传感器 5. 内压实验容器 B 6. 压力表 7. 压力传感器 8. 外压实验罐9. 压力表 10. 压力传感器图 1-1内压实验容器 A 的椭圆形封头部分尺寸如图 1-3 所示，容器材料均为0Cr18Ni9。5图 1-3 椭圆封头表 1-1 各测点离椭圆封头顶点距离 mm序号12345678910距离04080120150170190210230250应变片的布置方案是
5、根据封头的应力分布特点来决定的。封头在轴对称载荷作用下可以认为是处于二向应力状态，而且在同一平行圆上各点受力情况是一样的。所以只需要在同一平行圆的某一点沿着环向和经向各贴一个应变片即可。本实验中采用 10 个 T 形应变片布置在封头上，位置见图 1-3。各点离封头顶点距离见表 1-1。每个 T 形应变片上有两个相互垂直成 T 形排列的敏感栅，可分别用来测量环向应变和经向应变。本实验中所用应变片之电阻值为 120，灵敏度系数为 K_2.052.05_ _。四、实验步骤( (一一) )应变仪测量步骤：应变仪测量步骤：1打开内压实验容器的进水阀，关闭外压实验容器进水阀；2检查各接线是否正确、牢固；3
6、打开应变仪电源； 4检查应变仪是否工作正常；5按所贴应变片设定应变片灵敏系数 K（没有变化时跳过） ；66选择调零，检验各点初值是否为零； 7用试压泵向容器加压，分别加压至 0.2，0.4，0.6MPa，并测量相应压力下各点之应变值，并记录； （二）联机测量步骤：（二）联机测量步骤：1.启动实验主程序，选择内压实验；2. 选择实验封头后确定，进入测量程序；a.点击“平衡”按钮，应变仪进行平衡； b.点击“测量”按钮，读入应变初读数， （若读数不为零，重复 a.b. 步骤）c.点击“清空数据”按钮，清空数据库文件；d.改变实验压力，分别为 0.2、0.4、0.6MPa;e.点击“测量”按钮，测量
7、各实验压力下实验数据；f.点击“记录”按钮，将数据写入数据库文件。3点击“设置”按钮，可对应变仪进行参数设置（应变仪脱机测量的设置，请参照 BZ2205C 静态电组应变仪使用说明书） ；4.测量完成后，关闭内压实验容器的进水阀，点击“退出”按钮，退出测量程序，返回实验主程序，点击“数据处理”进入数据处理窗口；a. 选择内压实验，选择实验封头后确定，进入应力计算程序；点击“读取数据”按钮，弹出“选择数据文件“对话框b.选择数据文件： 处理数据库文件（现场实验）数据 -1； 处理文本文件 （旧的实验）数据 -2；c.点击“计算”按钮，计算应变修正值和应力值；d.点击“画图”按钮，进入“绘制应力曲线
8、“窗口；e.点击“打印”按钮，打印页面内容图象；f. 点击“导出数据”按钮,将测量的应变值写入文本文件，可以用记事本打开、编辑和打印所存的文件；g. 点击“返回”按钮,退出数据处理窗口。五、实验数据整理 1根据原始记录，用方格纸绘出各测点的 P- 曲线。因为是在弹性范围内，所以都应该是直线，并由此图求得在 0.6 MPa 压力下应变修正值；整理成表格。2用应变修正值按式(1-1)和式(1-2)计算在 0 .6MPa 下各点的应力值，填入表1-2。7表 1-2 数据表0.2（Mpa）0.4（Mpa）0.6（Mpa）0.6（Mpa）经向应变 1环向2经向1环向2经向1环向2应变修正值应力值1212
9、12345678910六、实验报告要求 1简述实验目的、原理及装置；2整理实验数据并计算在 0.6MPa 下各点的应力值； 3用 0.6MPa 下的应力值绘封头应力分布曲线；4利用所学理论解释封头的应力分布状况； 5存在问题讨论。应 变 值序号8附录：封头形状、测点分布和应力计算公式附录：封头形状、测点分布和应力计算公式一、带折边锥形封头1测点分布图各测点至锥形封头顶点距离 （mm）序号12345678910距离40801201602002302602803003202 对于带折边锥形封头进行设计时，采用下列两式中较大的壁厚 t 值：cos22costpr tpxtgtpr tpxtg9二、球
10、形封头 1测点分布图测点至球形封头顶点距离 （mm）序号12345678910距离0501001502002502803003503702应力理论计算公式spR r2三、圆平板封头 1测点分布图10测点至平板封头中心距离 （mm）序号12345678910距离02550751001251501752002502应力理论计算公式：22 2383rRsp r3138322 2rRsp11实验二实验二 外压薄壁容器的稳定性实验外压薄壁容器的稳定性实验一、实验目的一、实验目的： 1实测园筒形容器失稳时的临界压力值，并与不同的理论公式计算值进行比较。2观察外压薄壁容器失稳后的形态和变形的波数。二基本原理
11、二基本原理园筒形容器在外压力作用下，常因刚度不足失去自身的原来形状，即被压扁或产生折皱现象，这种现象称为外压容器的失稳。容器失稳时的外压力称为该容器的临界压力。对园筒形容器丧失稳定时截面形状由园形跃变成波形，其波形数可能是 2、3、4、5、等任意整数。外压园筒依其临界长度为界为长园筒、短园筒和剐性园筒。1筒的临界长度公式为：（2-1） 017.1SDDL临（2-2）0013.1SDESLs临式中：D园筒的中径 mmS0园筒的计算壁厚 mm12E材料的弹性模数 MPa S气材料的屈极限 MPa当圆筒长度 L L临 时，属于长圆筒；当圆筒长度 L ：L临 L L临 时，属于短圆筒；当圆筒长度 L
12、L临 时，属于刚性圆筒。L圆筒计算长度（系指圆筒两个刚性构件间的距离） 本试验中试件的计算长度 L 是指从顶盖下表面到试件底部的圆弧过渡部分的距离处。212筒的临界压力计算公式（1）长圆筒的临界压力计算公式（2-3）3 0 212 DSEP临（2）短圆筒的临界压力计算公式R.V.Mises 公式（2-4） 22 23 0 222 201121112 11RnLnnRSERnLnRESP 临B.M.Pamm 公式（2-5）02 059. 2SDLDESP 临式中：材料的波桑系数;R圆筒的中间面半径 cm ;n波数；L圆筒计的算长度 cm 。(3)利用外压园筒的图算法计算其临界压力。3. 波形数的
13、计算公式 13（2-6）42006.7DLSDn三实验装置：三实验装置：实验装置如图 2-11. 手动试压泵 2. 内压实验容器 A 3. 压力表 4. 压力传感器 5. 内压实验容器 B 6. 压力表 7. 压力传感器 8. 外压实验罐9. 压力表 10. 压力传感器图 2-1四实验步骤四实验步骤（一）测量试件参数1实际长度、园弧处内部高度、翻边处高度2外直径、内直径3壁厚将所测尺寸填人表 2-1 内：表表 2-1 试件尺寸记录表试件尺寸记录表 单位：mm14试件编号 外径 内径 壁厚实际长度圆弧处内面高度翻边处高 度计算长度12（二）实验台阀门操作1. 打开外压实验罐进水阀，关闭内压实验罐
14、进水阀； 2. 使容器内水位在上封头与接管的连接处；3. 将测量好的试件装入容器；4进入实验主程序，点击“实验选择”按钮， 选择“外压薄壁容器的稳定性实验”菜单，点击“确认”按钮，进入“外压薄壁容器的稳定性实验”画面，点击“开始实验”按钮，进入实验画面； 7单击“开始”按钮，单击“纪录”按钮；8通过手动试压泵给加压罐缓慢连续加压，直至试件失稳为止；9试件时稳后，关闭外压实验罐进水阀； 10取出试件，观察和记录失稳后的波形及特点； 11进入数据处理程序可计算临界压力等数据。 五实验报告内容及要求五实验报告内容及要求1简述实验目的、原理及装置；2按比例绘制式件失稳前后的横断面形状图；3用 RVMises 公式、BMPamm 公式分别计算试件的临界压力值。4用近似公式计算试件变形波数。5将理论计算值和实测值填入表 2-2 内。6对实验结果进行讨论和分析。表表 2-2 实验数据表实验数据表试件尺寸 mm 实测 P临MPa理论计算 P临 MPa 波数试件编号L D SL/DD/S仪表测目测MisesPamm实测计算1512
