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1、复习复习 按承压方式对压力容器分类按承压方式对压力容器分类1第五章第五章 外压圆筒与封头的设计外压圆筒与封头的设计 2第一节第一节 概述概述壳体壳体外部外部压力压力大于大于壳体壳体内部内部压力的容器称为外压容器压力的容器称为外压容器 (举例：真空冷凝器，夹套反应釜)1、外压容器的定义、外压容器的定义31-搅拌器搅拌器 2-罐体罐体 3-夹套夹套 4-搅拌轴搅拌轴 5-压出管压出管 6-支座支座 7-人孔人孔 8-轴封轴封 9-传动装置传动装置图图5-1 夹套反应釜结构图夹套反应釜结构图4薄壁圆筒薄壁圆筒周向薄膜应力周向薄膜应力 计算厚度，计算厚度，mm；D筒体中间面直径，筒体中间面直径，mm。
2、经向薄膜应力经向薄膜应力压应力压应力2、外压薄壁容器的受力、外压薄壁容器的受力5承受外压载荷的壳体，当外承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的这种现象称为外压壳体的失稳失稳。3、失稳及其实质、失稳及其实质图图5-2 失稳后的情况失稳后的情况67侧向失稳侧向失稳容器由均匀侧向外压容器由均匀侧向外压引起的失稳，叫侧向引起的失稳，叫侧向失稳失稳 特点特点: :横断面横断面由圆形变为波形由圆形变为波形长圆
3、筒长圆筒动画动画2波波短圆筒短圆筒动画动画3波波短圆筒短圆筒动画动画4波波p1、按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳、按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳图图5-3 外压圆筒侧向失稳后的形状外压圆筒侧向失稳后的形状8轴向失稳轴向失稳 轴向失稳由轴向压应力引起，失稳后其轴向失稳由轴向压应力引起，失稳后其经线由原来的直线变为波形线，而横断经线由原来的直线变为波形线，而横断面仍为圆形。面仍为圆形。 p图图5-4 薄膜圆筒的轴向失稳薄膜圆筒的轴向失稳9整体失稳整体失稳局部失稳局部失稳 压应力均布于全部周向或径向，失压应力均布于全部周向或径向，失稳后整个容器被压瘪。稳后整个容器被压瘪。压应力作用于某局部处，失稳
4、后局部压应力作用于某局部处，失稳后局部被压瘪或皱折，如容器在支座或其他被压瘪或皱折，如容器在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压引起的局部失稳。局部外压引起的局部失稳。2、按压应力作用范围分为整体失稳与局部失稳、按压应力作用范围分为整体失稳与局部失稳10第二节第二节 临界压力临界压力 一、临界压力的概念一、临界压力的概念 壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力。壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力。 壳体在临界压力作用下，壳体内存在的压应壳体在临界压力作用下，壳体内存在的压应力称为临界压应力。力称为临界压应力。11二、影响临界压力的因素二、影
5、响临界压力的因素 第一组（第一组（）：）：L/D相同时，相同时，/D大者临界压力高；大者临界压力高；第二组（第二组（）：）：/D相同时，相同时，L/D小者临界压力高；小者临界压力高；第三组（第三组（）：）：/D、L/D相同，有加强圈者临界压力高。相同，有加强圈者临界压力高。1、筒体几何尺寸的影响、筒体几何尺寸的影响12材料的弹性模数材料的弹性模数E和泊桑比和泊桑比越大，其越大，其抵抗变形的能力就越强，因而其临界抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。压力也就越高。但是，由于各种钢材的但是，由于各种钢材的E和和值相差不值相差不大，所以选用高强度钢代替一般碳素大，所以选用高强度钢代替一般碳素
6、钢制造外压容器，并钢制造外压容器，并不能提高不能提高筒体的筒体的临界压力临界压力2、筒体材料性能的影响、筒体材料性能的影响13稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度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。一定数值时也会失稳。壳体的椭圆度与材料的不均匀性，能使其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。临界压力的数值降低，使失稳提前发生。3、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响14三、
7、三、 长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定性描述长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定性描述 相对几相对几何尺寸何尺寸两端两端边界边界影响影响 临界压力临界压力失稳时失稳时波形数波形数长圆筒长圆筒忽略忽略2短圆筒短圆筒显著显著大于大于2的整数的整数刚性刚性圆筒圆筒不失稳不失稳15四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式 钢制长圆筒钢制长圆筒无关无关1、长圆筒、长圆筒16推论：从长圆筒临界压力公式可得推论：从长圆筒临界压力公式可得相应的临界应力与临界应变公式相应的临界应力与临界应变公式临界压力临界压力临界应力临界应力应变应变应变与材料无关应变与材料无关,只与筒体几何尺寸有关只与筒体几何尺寸有关17有关
8、有关圆筒外部或内部两相邻刚性构件之间的圆筒外部或内部两相邻刚性构件之间的最大最大距离距离举例举例2、钢制短圆筒、钢制短圆筒18L圆筒长封头直边段圆筒长封头直边段 端盖端盖1深度深度+ 端盖端盖2深度深度举例举例20002000 对于凸形端盖对于凸形端盖对于筒体上有加强圈的对于筒体上有加强圈的圆筒外部或内部两相邻刚性构件之间的圆筒外部或内部两相邻刚性构件之间的最大最大距离距离图图5-5 外圆筒的计算长度外圆筒的计算长度19推论：从短圆筒临界压力公式可得推论：从短圆筒临界压力公式可得相应的临界应力与临界应变公式相应的临界应力与临界应变公式临界压力临界压力临界应力临界应力应变应变应变与材料无关应变与
9、材料无关,只与筒体几何尺寸有关只与筒体几何尺寸有关203、刚性圆筒、刚性圆筒4/,tstMPas ss s可取可取用压应力用压应力材料在设计温度下的许材料在设计温度下的许压压- -211)定义定义: 容器在外压作用下，与临界压力相对应容器在外压作用下，与临界压力相对应的长度，称为临界长度的长度，称为临界长度 。2)作用作用: 用临界长度和作为长、短圆筒和刚性用临界长度和作为长、短圆筒和刚性圆筒的区分界限。圆筒的区分界限。刚性圆筒刚性圆筒短圆筒短圆筒长圆筒长圆筒五、五、 临界长度和长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定量描述临界长度和长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定量描述1、临界长度、临界长度22长圆筒临界压
10、力公式长圆筒临界压力公式3)求解求解:23短圆筒临界压力公式短圆筒临界压力公式刚性圆筒最高刚性圆筒最高工作压力公式工作压力公式244)结论结论刚性圆筒刚性圆筒短圆筒短圆筒长圆筒长圆筒若某圆筒的计算长度为若某圆筒的计算长度为 L ，则则： LcrL 属长圆筒属长圆筒 crL L L L crL L 属短圆筒属短圆筒 L L crL 属刚性圆筒属刚性圆筒 25第三节第三节 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计P许用外压力，许用外压力，MPa稳定安全系数。稳定安全系数。 1、许用外压力、许用外压力P和稳定安全系数和稳定安全系数m对圆筒、锥壳 m=3； 球壳、椭圆形和碟形封头 m=15 262、设计准
11、则、设计准则计算压力PcmPPcr=，并接近P 271、算图、算图（1）几何参数计算图：）几何参数计算图：L/DoDo/eA 关系曲线关系曲线令令 A= ， 以以A作为横坐标，作为横坐标，L/Do作为纵坐标，作为纵坐标， Do/e作为作为参量参量绘成曲线；见图绘成曲线；见图5-6AL/DoDo/e28图图5-6 外压或轴向受压圆外压或轴向受压圆筒和管子筒和管子几何参数几何参数计算图计算图（用于所有（用于所有材料）材料）cr29（2）厚度计算图（不同材料）：）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线关系曲线 已知已知 L/Do，Do/e查查几何算图几何算图周向应变周向应变A（横坐标横坐标）找出找出A
12、Pcr 的关系（类似于的关系（类似于crcr）判定筒体在操作外压力下是否安全判定筒体在操作外压力下是否安全（图（图5-6）30于是由于是由 可得可得 令令(5-9) pcr=mp(5-10)31由于由于 若以若以 为为横坐横坐标标，B为纵为纵坐坐标标，将将B与与 (即即图图中中A)关系用曲关系用曲线线表示出来，我表示出来，我们们就得到了如就得到了如图图57所示的曲所示的曲线线。利用。利用这组这组曲曲线线可以方便而迅速地从可以方便而迅速地从 找到与之相找到与之相对应对应的系数的系数B，并并进进而而用用(510)式求出式求出p。AB图图5-7 外压圆筒的许用应力与应变的关系外压圆筒的许用应力与应变
13、的关系32系数系数A=cr系数系数B/MPa图5-外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(屈服点s207MPa的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢)-(、图 8 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图屈服点s207MPa的碳素钢和0Cr131Cr13钢)33系数系数B/MPa系数系数A=cr图 -9 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图 (16MnR，15CrMo钢)图5-外压圆筒、管子和球壳厚度计算图 (16MnR，15CrMo钢)34（二）外压圆筒和管子厚度的图算法（二）外压圆筒和管子厚度的图算法 (2)查查A系数：在图系数：在图5-5纵坐标上找到纵坐标上找到 ，由此点水平移动与线由此点水平移动与线 相交，再垂直
14、下相交，再垂直下移在横坐标上读得系数移在横坐标上读得系数A(3)由由材料选用图材料选用图5-7至图至图5-14,在横坐标上找在横坐标上找出系数出系数A，若，若A在设计温度的材料线右方，在设计温度的材料线右方，则垂直移动与材料温度线相交，再水平右移则垂直移动与材料温度线相交，再水平右移得得B系数并按系数并按(5-11)计算许用外压力，计算许用外压力， 若若A值在材料温度线左方，按式（值在材料温度线左方，按式（5-12）计算）计算(5-12)(5-11)(1)假设，令假设，令 ，求出，求出和和(4)比较计算压力比较计算压力Pc与许用外压力与许用外压力P，要，要求求Pc P且比较接近且比较接近 情况
15、情况135情况情况2(1)用与用与D0 / e 20时时相同的步相同的步骤骤得到系数得到系数B。但但对对于于D0 / e 0.10.1时时，取取A=0.1=0.1。 0取以下两取以下两值值中的中的较较小小值值： 02 t 或或 00.9 st 或或0.9 0.2t(2)用步用步骤骤A所得系数所得系数B，下式下式计计算算p1和和p2：(5-15) (5-14) (3) 所得所得p1和和p2中的中的较较小小值为许值为许用外用外压压力力p。比比较较 pc与与p，若若p cp，则则需再假需再假设设壁厚壁厚n， 重复上述重复上述计计算步算步骤骤，直至，直至 p大于且接近于大于且接近于pc为为止。止。36
16、外压容器和真空容器以内压进行压力试验。外压容器和真空容器以内压进行压力试验。 试验压力试验压力37试确定一外压圆筒的壁厚。已知计算外压力试确定一外压圆筒的壁厚。已知计算外压力Pc0.2MPa，内径内径Di1800mm，圆筒计算长度圆筒计算长度L10350mm，如图如图5-15(a)所示，所示，设计温度为设计温度为250，壁厚附加量取，壁厚附加量取C2mm，材质为材质为16MnR，其弹性模数其弹性模数Et186.4103MPa。(a) (b) hi/3 hiD0 L=10350 hi/3 hi/3 hiD0 hi/3 L=3450L=3450L=345038(1) 设筒体名义壁厚设筒体名义壁厚n
17、14mm，则，则D0 1800+2141828mm 筒体有效壁厚筒体有效壁厚e n - C14-212 mm，则，则 LD01035018285.7；D0e 182812152；(D0e 20)。hi/3 hiD0 L=10350 hi/3 39(2) 在图在图55的左方找出的左方找出LD0 5.7的点，将其水平右移，与的点，将其水平右移，与D0 / e 152的点交于一点，再将点下移，在图的下方得到系的点交于一点，再将点下移，在图的下方得到系数数A0.00011；400.000150.00020.0001141(3)(3)在图在图5959的下方找到系数的下方找到系数A A0.000110.0
18、0011所对应的点，此点落在材料所对应的点，此点落在材料温度线的左方，故利用温度线的左方，故利用5 51212式确定式确定 p p ： 显然显然 p p p p，故须重新假设壁厚，故须重新假设壁厚n n或设置加强圈。现按设或设置加强圈。现按设两个加强圈进行计算两个加强圈进行计算( (仍取仍取n 14mm)14mm)。(b) hi/3 hiD0 hi/3 L=3450L=3450L=345042(1) 设两个加强圈后计算长度设两个加强圈后计算长度L3450mm，则则 L LD D0 0 34503450182818281.91.9， D D0 0 / / e e 152 152 ；(2)由图由图
19、55查得查得A0.00035；(3)(3)在图在图5959的下方找到系数的下方找到系数A=0.00035(A=0.00035(此点落在材料温度线的此点落在材料温度线的右方右方) )，将此点垂直上移，与，将此点垂直上移，与250250的材料温度线交于一点，再将的材料温度线交于一点，再将此点水平右移，在图的右方得到此点水平右移，在图的右方得到B=42.5 B=42.5 ； (4)按按(513)式计算许用外压力式计算许用外压力p(5)比较比较pc与与p，显然，显然p c=0.2MPa p， 且较接近，故取且较接近，故取e12mm合适。合适。 则该外压圆筒采用则该外压圆筒采用n n14mm14mm的的
20、16MnR16MnR钢板制造，设置两个加强钢板制造，设置两个加强圈，其结果是满意的圈，其结果是满意的。43一、外压球壳和球形封头的设计一、外压球壳和球形封头的设计二、凸面受压封头的设计二、凸面受压封头的设计第四节第四节 外压球壳与凸形封头的设计外压球壳与凸形封头的设计学生课后自学学生课后自学44第五节第五节 加强圈的设计加强圈的设计缩短圆筒的计算长度，增加圆筒的刚性，从而缩短圆筒的计算长度，增加圆筒的刚性，从而提高临界压力。提高临界压力。经济意义大经济意义大工字钢工字钢角钢角钢扁钢扁钢1、作用、作用2、结构、结构45（二）、结构（二）、结构 工字钢工字钢角钢角钢扁钢扁钢46作作 业业一、课堂作业第二大题，第三大题二、课外作业第四题A组1, B组1题47
