1.2 薄壁容器外压失稳实验

1.2 薄壁容器外压失稳实验

1.1.1 准备知识 一、失稳现象

薄壁容器在受外压作用时，往往在器壁内的应力还未达到材料的屈服极限，因刚度不足使容器失去原有形状，即被压扁或折曲成波形，这种现象称为失稳。圆筒形容器失去稳定性后，其横截面被折成波形，波数n 可能是1，2，3，4，……等任意整数,如图2-1所示。

二、临界压力

容器失去稳定性时的外压力，成为容器的临界压力，用cr p 表示。容器承受临界值的外压力而失去稳定性，决非是由于容器壳体本身不圆的缘故，即是绝对圆的壳体也会失去稳定性。当然如壳体不圆（具有椭圆度）容器更容易失稳，即它的临界压力值会下降。

根据外压容器筒体的长短，可分为长圆筒，短圆筒和刚性圆筒三种，刚性圆筒一般具有足够的刚度，可不必考虑稳定性问题。但长圆筒，短圆筒必须进行稳定性计算，它们的临界压力cr p 值大小主要与厚壁(t )，外直径(0D )，长度（L ）有关,亦受材料弹性模数(E )，泊桑比(μ)影响。

理想钢制薄壁容器的临界压力与波数的计算公式如下： 长圆筒Bress 公式：3

2)(12D

t E p cr μ-=

短圆筒B.M.Pamm 公式：t

D LD Et p cr 00259.2=

4

2

)

()(06

.7D t D L n = 临界尺寸： 0/17.1L S D D cr =

图2-1 圆筒形容器失去稳定后的形状

当L＞Lcr时，为长圆筒；

当L＜Lcr时，为短圆筒。

式中—临界压力，MPa；

D—圆筒直径，mm；

L—圆筒计算长度，mm；

S0—圆筒壁厚，mm；

E—材料弹性模数，MPa；

μ—材料泊桑比；

n—失稳时波数；

Lcr—临界长度，mm。

对于外压容器临界压力的计算，有时为计算简便起见，可借助于一些现成的计算图来进行。

1.1.2 实验指导

一、目的要求

1．观察外压容器的失稳破坏现象及破坏后的形态。

2．验证外压筒体试件失稳时临界压力的理论计算式。

二、实验设施设备

表2-2实验装置基本配置表：

序号名称型号数量

1 电器转换器IP211-X120 1

2 温度变送器Pt100 / 0~200℃ 1

3 压力变送器SM9320DP （0-1MPa） 1

4 压力表Y100 0-1MPa 2

5 压力缓冲罐不锈钢Φ80-120 1

6 离心泵不锈钢WB70/025 1

7 安全阀AI-501B24V 8

8 外压灌不锈钢Φ325-350

9 计算机CPU酷睿1.6G、内存1.0G、硬盘160G、DVD光驱，17” 1

液晶显示器、集成显卡

10 压缩机ZBM-0.067/8 1

11 储液罐不锈钢Φ150-250 1

图2-1薄壁圆筒外压失稳实验装置

三、实验步骤

1.开启计算机，启动计算机、打开实验软件。

2.检查压力传感器和温度计是否正常。

3.测量试件的有关参数：壁厚t，直径D0，长度L。用千分卡测壁厚，用游标卡尺测内直

径（便于精确测量）和长度，外直径D0由内直径加壁厚得到。各参数分别测量两到三次，计算时取平均值。

4.检查水箱内水是否充足，适量添加。启动离心泵，向失稳灌内注入适量水（水加至试件

放入不易水为宜），安装测试试件。

5.停止离心泵，将压力仪表输出值调至0。

6.启动压缩机,慢慢改变压缩比，增加压力，记录压力变化曲线。

7.缓慢升压至试件破坏为止（试件破坏时有轻微的响声），记下容器的失稳压力（即有轻

p）。失稳后需快速关闭压缩机开关。

微响声时的瞬间压力,此压力为临界压力

cr

8.通过有机玻璃观察试件受压及其变形情况（失稳瞬间有响声）。

9.关闭实验设备，释放压力，取出实验试件(观察试件变形情况）分析实验数据。

四实验数据记录整理

1. 列出测量所得的试件几何尺寸数据。

2. 记录压力变化曲线。

3.记录失稳现象。

4.记录波纹数n。

五、注意事项：

1、注意启动离心泵时关闭出口阀。

2、安装测试试件时注意安装螺栓要对称均匀地用扳手拧紧螺栓。

3、安装完试件后不要再启动离心泵，防止液体倒灌入压缩机。

4、压缩机,慢慢改变压缩比，缓慢加压。

1.1.3 实验数据分析处理与讨论

1、验算波纹数n。

2、计算容器的临界压力并与实测值进行比较。

3、讨论、分析试验结果，分析误差原因。