外压容器失稳课件
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外压薄壁圆筒与封头的强度设计课件
一、临界压力
承受外压的容器在外压达临界值之前，壳体也能发生弹性 压缩变形；压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当 外压力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形， 就失去了原来的稳定性。
导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力， 以Pcr表示。
筒体在临界压力作用下，筒壁内存在的压应力 称为临界压应力，以σcr表示。
二、外压圆筒壁厚设计的图算法
1. 算图的由来
若将失稳时的环向应变与允许工作外压的关系曲线找出来， 那么就可能通过失稳时的环向应变ε为媒介，将圆筒的尺寸 （D0、Se、L）与允许工作外压直接通过曲线图联系起来。
[p] p cr m
pcr m[p]
Ectr 2pcSerD E0t m 2S[eEpt0]D
【注意】钢材的E和μ值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压 容器，不能提高筒体的临界压力。
3. 筒体椭圆度和材料不均匀
稳定性破坏主要原因不是壳体存在椭圆度或材料不均匀。因为即使壳体 的形状很精确和材料很均匀，当外压力达到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临界压力的数值降低，即能使失 稳提前发生。
二、外压圆筒壁厚设计的图算法
2. 外压圆筒和管子壁厚的图算法
⑴ 对D0/Se≥20（薄壁）的圆筒和管子
④ 根据所用材料选用图11-4～11-9，在图下方找出由③所得的系数A。
若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计
温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点沿
水平方向右移，在图的右方得到系数B，并按下式计算许用外压力
D0
D0
短圆筒应变
二、外压圆筒壁厚设计的图算法
1. 算图的由来
外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（Se，D0，L）之间 的关系
《化工机械基础》课件化工机械基础3-3
❖壳体横断面由原来的圆形被压瘪 而呈现波形，其波形数可以等于 两个、三个、四个……。
㈡ 轴向失稳
❖薄壁圆筒承受轴向 外压，当载荷达到 某一数值时，也会 丧失稳定性。
❖失稳，仍具有圆环 截面，但破坏了母 线的直线性，母线 产生了波形，即圆 筒发生了褶绉。
㈢ 局部失稳
在支座或其他支承处以及 在安装运输中由于过大的局 部外压也可能引起局部失稳。
✓一是已知圆筒的尺寸，求它的许用外
压 [p]；
✓另一是已给定工作外压，确定所需厚 度de。
1．许用外压[p]
圆度，长圆筒或管子一般压力达到 临界压力值的 l／2～1／3时就可 能会被压瘪。
大于计算压力的工况，不允许在外 压力等于或接近于临界压力，必 须有一定的安全裕度，使许用压 力比临界压力小，即 [ p] pcr
容器发生弹性失稳将使容器不能维持正 常操作，造成容器失效。
失稳现象的实质：
外压失稳前，只有单纯的压缩应力， 在失稳时，产生了以弯曲应力为主 的附加应力。
外压容器的失稳，实际上是容器筒 壁内的应力状态由单纯的压应力平 衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。
二、容器失稳形式
㈠ 侧向失稳
❖由于均匀侧向外压引起失稳叫侧 向失稳。
❖夹套容器液压试验合格后再焊接夹套。
夹套内压试验压力
pT
1.25
p
[s ] [s ]t
❖夹套内压试验必须事先校核该容器在 夹套试压时的稳定性是否足够。
❖不满足稳定性，则液压试验时容器内 保持一定压力，以便在整个试压过程 中，夹套与筒体的压力差不超过设计 值。
❖夹套内筒 设计压力为正 按内压
例3-3：分馏塔内径2000mm，塔身(不包括椭 圆形封头)长度为6000mm，封头深度500mm。 370℃及真空条件下操作。现库存有9、12、 14mm厚Q245R钢板。能否用这三种钢板制造。
㈡ 轴向失稳
❖薄壁圆筒承受轴向 外压，当载荷达到 某一数值时，也会 丧失稳定性。
❖失稳，仍具有圆环 截面，但破坏了母 线的直线性，母线 产生了波形，即圆 筒发生了褶绉。
㈢ 局部失稳
在支座或其他支承处以及 在安装运输中由于过大的局 部外压也可能引起局部失稳。
✓一是已知圆筒的尺寸，求它的许用外
压 [p]；
✓另一是已给定工作外压，确定所需厚 度de。
1．许用外压[p]
圆度，长圆筒或管子一般压力达到 临界压力值的 l／2～1／3时就可 能会被压瘪。
大于计算压力的工况，不允许在外 压力等于或接近于临界压力，必 须有一定的安全裕度，使许用压 力比临界压力小，即 [ p] pcr
容器发生弹性失稳将使容器不能维持正 常操作，造成容器失效。
失稳现象的实质：
外压失稳前，只有单纯的压缩应力， 在失稳时，产生了以弯曲应力为主 的附加应力。
外压容器的失稳，实际上是容器筒 壁内的应力状态由单纯的压应力平 衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。
二、容器失稳形式
㈠ 侧向失稳
❖由于均匀侧向外压引起失稳叫侧 向失稳。
❖夹套容器液压试验合格后再焊接夹套。
夹套内压试验压力
pT
1.25
p
[s ] [s ]t
❖夹套内压试验必须事先校核该容器在 夹套试压时的稳定性是否足够。
❖不满足稳定性，则液压试验时容器内 保持一定压力，以便在整个试压过程 中，夹套与筒体的压力差不超过设计 值。
❖夹套内筒 设计压力为正 按内压
例3-3：分馏塔内径2000mm，塔身(不包括椭 圆形封头)长度为6000mm，封头深度500mm。 370℃及真空条件下操作。现库存有9、12、 14mm厚Q245R钢板。能否用这三种钢板制造。
外压容器的失稳圆筒受到外压作用后
因此，为了提高临界压力的值，可在筒体的外壁（或内壁） 焊上一至数个加强圈，从而使得不到封头支撑作用的筒壁，得到 了加强圈的支撑。所以，当筒体的δ /D和L/D值均相同时，有加强 圈者，临界压力高。
11.2 临界压力
当筒体焊上加强圈后，就需要确定所谓的计算长度，这一长 度是指相邻两加强圈之间的距离，封头计入1/3的凸面高度。
t e
δ ，不便应用，须作如下处理。 D
e 0
......(11 - 12) ......(11 - 13)
式(11 - 13)表明，要想由ε找到P ，首先需从ε找出B。
0
由于：
B
2 2 E ε= E ε , 其中m 3 m 3
t t
2 2 2 B EA , 而A ,即A B的关系是 3 3 3
m-与圆筒形状、载荷的对称性、材料均匀性、制造方法及空 间位置等多因素有关。 根据GB150-1998《钢制压力容器》规定，取m=3，椭圆度不 大于0.5%。 设计时，必须使计算外压力Pc＜ [P]=Pcr / m。
11.3 外压容器设计方法及要求
二、 外压圆筒厚度设计的图算法
1.图算的依据
圆筒受外压时，其临界压力的计算公式：
11.2 临界压力
对于钢制圆筒，μ 0.3，则上式可写成 P =2.2E ×δ /D
t cr e 0
cr t 2
3
......(11 - 1)
在P 作用下，引起的临界周向压应力为： PD σ= =1.1E ×δ /D .......... （ .. 11 - 2） 2δ
cr 0 cr e 0 e
11.2 临界压力
3.刚性圆筒：圆筒的L/D0较小，而δ e/D0较大，故刚性较好。 破坏的原因为强度破坏，而不会发生失稳。
《化工设备机械基础》董大勤编著课件《外压》ppt
二、结构与材料 扁钢、角钢、工字钢等
三、加强圈安装制造
❖ 加强圈可设置在容器的内部或外部。 ❖ 焊接或铆接，必须与筒体紧密贴合 ❖ 不得随意削弱或切断
❖ 加强圈可设置在容器内部或外部。
➢ 连续或间断焊接，当加强圈在外面时 ，每侧间断焊接的总长度不应小于圆 筒外圆周长的1/2；
➢ 在里面，焊缝总长度不应小于内圆周 长度1/3。
二、外压带折边锥形封头
当量圆筒
当量直径 当量长度 当量厚度
三、防止内压凸型封头失稳的规定
标准椭圆形 计算厚度:不小于封头内直径的0.15％。
碟形封头 计算壁厚：不小于封头内直径的0.15-0.3％
第四节 真空加强圈
一、作用：装上一定数量的加强圈，利 用圈对筒壁的支撑作用，可以提高圆筒 的临界压力，从而提高其工作外压。
➢ 间断焊最大间距，外加强圈不能大于 筒体名义厚度8倍；内加强圈不能大 于筒体名义厚度12倍
四、加强圈设计 间距 尺寸
加强圈间距：
1、 外压圆筒加强圈间距已选定，可按上 述图算法确定出筒体厚度；
2、如果筒体的D0/δe已确定，可从下式 解出加强圈最大间距：
加强圈尺寸
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
－组合圆环失稳时单位弧长上的作用力；Ｎ／ｍｍ
外压容器1.25P[σ]/ [σ]t （常温）
设计思路：
分为筒体和封头分别进行： 1、内压强度设计
δn=24 mm
2 、外压稳定性校核
[p]=2.21MPa<P=4MPa
3、外压稳定性设计
δn=40 mm , [p]=4.12MPa>P
4、夹套水压试验稳定性校核
试验压力PT=1.25P[σ]/ [σ]t=5.54MPa 筒体常温[p]=5.30MPa<PT 夹套水压试验时，内筒充压0.24MPa
提高外压容器稳定性的措施.ppt
职业教育应用化工技术专业教学资源库《化工设备认知与制图》课程
提高外压容器稳定性的途径
吉林工业职业技术学院
复习
影响临界压力的因素：
筒体的几何尺寸：长度、内径、壁厚 筒体材料的性能：与材料的弹性模量E有关 筒体的制造精度：与筒体制造的圆度误差 和筒壁的均匀性有关
提高外压容器稳定性的途径
❖ 影响临界压力的因素都影响稳定性。 ❖ 如前所述，增大δe/Do。、设置加强圈、选用
Lmax
2.25ED0 e
mpc
D0
2.5
提高外压容器稳定性的途径
❖ 若加强圈的实际间距小于等于最大间距，表 示加强圈的间距合适，该圆筒能安全承受设 计外压
❖ 由此可知加强圈将筒体分为整数段的段数应 为 n L Lmax ，加强圈的个数即为n-1。
E 值大的钢种、提高材料的组织均匀性及圆 筒形状精度等均可提高临界压力，因而可提 高稳定性。
提高外压容器稳定性的途径
在材料和直径已定的条件下，增加筒体 壁厚或者缩短筒体的计算长度，都能提高 筒体的临界压力因而提高稳定性。 ➢ 缩短计算长度的方法更有利于减轻容器 质量、节约贵重金属。缩短计算长度的方 法就是在筒体上焊接加强圈。
提高外压容器稳定性的途径
加强圈应具有足够的刚性，常用工字钢、 角钢、扁钢等
加强圈与筒体的连接，大多采用焊接，可以 焊接在筒体的外部也可以焊接在筒体的内部
提பைடு நூலகம்外压容器稳定性的途径
如果加强圈的间距已经给出，则可按照前 述图算法确定筒体壁厚。
如果筒体的壁厚和外径已经确定，为使该 筒体能安全承受规定的外压，这时加强圈的 允许最大间距可以通过下式计算，从而确定 加强圈的个数。
提高外压容器稳定性的途径
吉林工业职业技术学院
复习
影响临界压力的因素：
筒体的几何尺寸：长度、内径、壁厚 筒体材料的性能：与材料的弹性模量E有关 筒体的制造精度：与筒体制造的圆度误差 和筒壁的均匀性有关
提高外压容器稳定性的途径
❖ 影响临界压力的因素都影响稳定性。 ❖ 如前所述，增大δe/Do。、设置加强圈、选用
Lmax
2.25ED0 e
mpc
D0
2.5
提高外压容器稳定性的途径
❖ 若加强圈的实际间距小于等于最大间距，表 示加强圈的间距合适，该圆筒能安全承受设 计外压
❖ 由此可知加强圈将筒体分为整数段的段数应 为 n L Lmax ，加强圈的个数即为n-1。
E 值大的钢种、提高材料的组织均匀性及圆 筒形状精度等均可提高临界压力，因而可提 高稳定性。
提高外压容器稳定性的途径
在材料和直径已定的条件下，增加筒体 壁厚或者缩短筒体的计算长度，都能提高 筒体的临界压力因而提高稳定性。 ➢ 缩短计算长度的方法更有利于减轻容器 质量、节约贵重金属。缩短计算长度的方 法就是在筒体上焊接加强圈。
提高外压容器稳定性的途径
加强圈应具有足够的刚性，常用工字钢、 角钢、扁钢等
加强圈与筒体的连接，大多采用焊接，可以 焊接在筒体的外部也可以焊接在筒体的内部
提பைடு நூலகம்外压容器稳定性的途径
如果加强圈的间距已经给出，则可按照前 述图算法确定筒体壁厚。
如果筒体的壁厚和外径已经确定，为使该 筒体能安全承受规定的外压，这时加强圈的 允许最大间距可以通过下式计算，从而确定 加强圈的个数。
第九章外压容器与压杆的稳定计算.
20R钢板在370℃时的E=1.69×105MPa可得： [p]=0.12MPa＞0.1MPa
14mm钢板能用。
39
例：如果库存仅有9mm厚的钢板，而且要 求用它制造上例中的分馏塔体，应该采取 什么措施？ 解：根据式9-2可知筒体长度L与失稳时的 临界压力之间的定量关系是：
L
2.6ED0
(
e
D0
34
例:今需制作一台分馏塔，塔的内径为 200cm，塔身长度为600cm，封头深度为 50cm，分馏塔在370℃及真空条件下操作。 现库存有9、12、14mm厚的20钢板。问能否 用这三种钢板来制造这台设备。钢板的腐蚀 裕量为1mm。 解：塔的计算长度L
L=600+2×1/3×50=634cm
35
)
2.5
2.6ED0
(
e
D0
)2.5
pcr
mp
40
e 9 0.8 1 7.2mm
p 0.1MPa m3 E 1.69105 MPa D0 2000 2 7.2 2014mm
2.61.69105 2014
7.2
2.5
L
2014 2254mm
20R钢板在370℃时的E=1.69×105MPa可得： [p]=0.032MPa≤0.1MPa
9mm钢板不能用。
37
（2）略 （3） δe=1.22cm
L/D0=634/（200＋2.4)=3.13 D0/ δe =202.4/1.2=169 查图9-7得出A=0.00018
38
查图9-9得出，A值位于曲线左边，故直接 用下式计算：
21
3 计算长度的确定
（1）有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。
14mm钢板能用。
39
例：如果库存仅有9mm厚的钢板，而且要 求用它制造上例中的分馏塔体，应该采取 什么措施？ 解：根据式9-2可知筒体长度L与失稳时的 临界压力之间的定量关系是：
L
2.6ED0
(
e
D0
34
例:今需制作一台分馏塔，塔的内径为 200cm，塔身长度为600cm，封头深度为 50cm，分馏塔在370℃及真空条件下操作。 现库存有9、12、14mm厚的20钢板。问能否 用这三种钢板来制造这台设备。钢板的腐蚀 裕量为1mm。 解：塔的计算长度L
L=600+2×1/3×50=634cm
35
)
2.5
2.6ED0
(
e
D0
)2.5
pcr
mp
40
e 9 0.8 1 7.2mm
p 0.1MPa m3 E 1.69105 MPa D0 2000 2 7.2 2014mm
2.61.69105 2014
7.2
2.5
L
2014 2254mm
20R钢板在370℃时的E=1.69×105MPa可得： [p]=0.032MPa≤0.1MPa
9mm钢板不能用。
37
（2）略 （3） δe=1.22cm
L/D0=634/（200＋2.4)=3.13 D0/ δe =202.4/1.2=169 查图9-7得出A=0.00018
38
查图9-9得出，A值位于曲线左边，故直接 用下式计算：
21
3 计算长度的确定
（1）有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。
外压容器解析PPT课件
e
D0
2.5
L D0
• ps>pcr，稳定破坏总是先于强度破坏； • 强度上的承压能力与强度指标σs有关，而稳定上的承 压能力与E有关；
•筒体的长度不影响强度，但影响稳定性；
许用外压：[ p] pcr m
pcr：按容器失稳影响因素，理论计算出的最大允许工作压力 [p]：考虑到实际因素计算出的最大允许工作外压
第8页/共26页
2.设计参数
计算长度L 当圆筒上焊有刚性构件时，其计算长度系指两个
刚性构件之间的最大距离，封头、法兰、加强圈等均 可视作刚性构件。对于凸形封头，应计入直边高度及 封头其余部分的三分之一。
第9页/共26页
设计压力p
类别 设计外压力p
外压容器 取不小于正常工作过程中可能产生的最大内外压力差
第15页/共26页
15.2.3 圆筒的轴向稳定校核
以小应力理论为依据的外压球壳临界应力计算，可用 于圆筒轴向失稳临界应力的计算式
cr
0.605E e
R
cr
cr
m
0.605 E e
9.68 R
0.06E e
R
令B [ cr ]
B 2 EA 0.06E e A 0.09 e
3
Ri
第16页/共26页
15.3 外压凸性封头的设计
凸形封头在弹性段内的许用外压按下式计算：
2
pcr
1.21E
e
Ro
, p
pcr m
0.0833E
Ro
e
2
m—稳定系数，对于凸形封头和球壳，有关标准取m=15
Ro—凸形封头球面部分内半径或当量半径，mm。
封头 Ro
椭圆形 Ro＝KDo
壳体失稳应力分析 35页PPT文档
2、承受外压壳体失效形式：
强度不足而发生压缩屈服失效
保持原有平衡形态不足而发生 失稳破坏（讨论重点）
3
3、失稳现象：
◆承受外压载荷的壳体，当 外压载荷增大到某一值时， 壳体会突然失去原来的形状， 被压扁或出现波纹，载荷卸 去后，壳体不能恢复原状， 这种现象称为外压壳体的屈 曲（buckling）或失稳 （instability）。
初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能不均匀等 （3）受载不可能完全对称
小挠度线性分析会与实验结果不吻合。
工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定性安全系数 m ， 限定外压壳体安全运行的载荷。
10
外压圆筒的稳定条件
p[p] pcr m
m—稳定性安全系数，圆筒m=3
11
外压圆筒分成三类：
长圆筒 L/Do和Do/t较大时，其中间部分将不受两端约束或刚 性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两 个波纹，n=2。
第二章 压力容器应力分析
CHAPTER Ⅱ STRESS ANALYSIS OF PRESSURE VESSELS
第五节 壳体的稳定性分析
1
主要内容
2.5.1 概述 2.5.2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析 2.5.3 其他回转薄壳的临界压力
2
一、失稳现象
2.5.1 概述
1、外压容器举例 （1）真空操作容器、减压精馏塔的外壳 （2）用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体
短圆筒 L/Do和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱 壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现 两个以上波纹，n＞2。
刚性圆筒 L/Do和Do/t很小时，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体 的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。
外压容器与压杆的稳定计算化工机械设备基础课件
PPT学习交流
34
例：如果库存仅有9mm厚的钢板，而且要 求用它制造上例中的分馏塔体，应该采取 什么措施？ 解：根据式9-2可知筒体长度L与失稳时的 临界压力之间的定量关系是：
L2.6ED 0(D e0)2.5 2.6ED 0(D e0)2.5
pcr
mp
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35
e 9 0.3 1.5 7.2 m m p 0.1M P a m 3 E 1.86 10 5 M P a D 0 2000 2 7.2 2014 m m
不能恢复
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10
（二）影响临界压力的因素
1 筒体材料性能的影响
（1）筒体失稳时壁内应力远小于材料屈服点 ——与材料的强度没有直接关系。
（2）临界压力的计算公式
pcr
2E
12
( e )3
DO
( e ) 2.5
p
' c
r
2.59 E
Do L
Do
——与材料的弹性模量（E)和泊桑比(μ)有直接关系。
[p]
pcr m
式中m——稳定安全系数。
圆筒、锥壳取3.0；
球壳、椭圆形及碟形封头取15。
m的大小取决于形状的准确性（加工精度） 、载
荷的对称性、材料的均匀性等等。
PPT学习交流
22
（二）外压圆筒环向稳定计算的图算法
1.算图的由来
思路：由已知条件（几何条件：L/Do,Do/δe
以及材质，设计温度） 确定许用外压力[p]，
PPT学习交流
50
将上述各值代入得:
[p]26.7 1110.851.26M P a 2.计算许可外压1000
(1)筒体
计算长度: L202 04 0 0 2125 202m 4m 7 3
外压容器的稳定性
e
D0
t s
e Dmax Dmin 0.5%DN 且e 25mm
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
18
⒉ 短圆筒的临界压力——Mises公式
pcr
R
Ee 1 2
n2 1
1 2
1
nL R
2
2
2 e
12R2
n2 1
2n2 1
1
nL R
2
✓ 在圆筒壳的几何尺寸及材料性能值已知的情况下，对不同的
波数计算出来的临界压力值不同
✓ 实际临界压力值是对应各种波数计算出的最小值，对应的波 数就是失稳时的波数
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
19
令
1
nL R
2
2
nL R
4
n2
1
2n2 1
得不到封头支撑作用——长圆筒 n=2 得到封头支撑作用——短圆筒 n>2 δ/D相同，（pcr)长<（pcr）短
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
13
在筒壁上（内或外）焊上加强圈，只要加强圈的 刚性足够大，它同样可起到对筒体的支撑作用， 使原来得不到封头支撑的筒壁，得到了加强圈的 支撑作用
✓ ——在筒体几何尺寸不变的情况下，通过设置加强 圈，使筒体由长圆筒变为短圆筒，临界压力提高。
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
14
外压圆筒的计算长度筒体上有加强圈时，筒体
的实际长度对于计算临界压力就没有意义了
L 2 1 h 3
L
2
1 3
h
1 n
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
加强圈
无 无 无 一个
压力容器应力分析壳体的稳定性分析
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压力容器应力分析壳体的稳定性分析
•该理论的局限
•（1）壳体失稳的本质是几何非线性的问题 •（2）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒，存在各种 • 初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能不均匀等 •（3）受载不可能完全对称
•小挠度线性分析会与实验结果不吻合。
•工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定性安全系数 m ， •限定外压壳体安全运行的载荷。
讨论题
1、是否只有在外压作用下，压力容器才会失稳？试 举例说明。
2、工程上采取哪些措施，可以提高圆柱形容器的抗 失稳能力？
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压力容器应力分析壳体的稳定性分析
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2024/2/8
压力容器应力分析壳体的稳定性分析
压力容器应力分析-壳体 的稳定性分析
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2024/2/8
压力容器应力分析壳体的稳定性分析
•主要内容
•2.4.1 概述 •2.4.2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析 •2.4.3 其他回转薄壳的临界压力
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压力容器应力分析壳体的稳定性分析
•一、失稳现象
•2.4.1 概述
•1、外压容器举 例
•椭球壳： •同碟形壳计算，RO=K1DO
•K1见第四 章
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压力容器应力分析壳体的稳定性分析
•锥壳
•（2-106）
•注意：•Le——锥壳的当量长度；见表2-6
•DL——锥壳大端外直径 •或锥壳上两刚性元件所
•DS——锥壳小端外直 径•Te——锥壳当量厚度
•在处的大小直径
•适用于：
•若
实验二、外压薄壁圆筒形容器失稳实验
实验二、外压薄壁圆筒形容器失稳实验一、实验目的1. 观察薄壁圆筒形容器在外压作用下丧失稳定性后的形态。
2. 测定圆筒形容器失去稳定性时的临界压力并与理论值相比较。
二、基本原理圆筒形容器在外压作用下，常因刚度不足使容器失去原有形状，即被压扁或折曲成波形，这就是容器的失稳现象，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。
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,如图一所示。
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。
所谓长圆筒，短圆筒之分，并不是指它们的绝对长度，而是与直径壁厚有关的相对长度。
一般长圆筒、短圆筒之间的划分用临界长度cr L 表示。
如容器长度L >cr L 为长圆筒，反之为短圆筒。
临界长度cr L 由下式确定：t D D Lcr 0017.1=长圆筒：长圆筒失稳时的波数n =2，临界压力cr p 仅与0D t 有关，而与0D L 无关。
cr p 值可由下式计算：32)(12Dt E p cr μ-=短圆壁：短圆筒失去稳定性时，波数n >2,如为3，4，5……，其波数n 可近似为：图一 圆筒形容器失去稳定后的形状42)()(06.7D t D L n =临界压力可由下式计算：tD LD Et p cr 00259.2=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。
四、实验步骤及注意事项1. 测量试件的有关参数：壁厚(t )，直径(0D )，长度（L ）。
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课程：
实验：
外压薄壁容器
什么样的容器称为外压容器？
外部压力大于内部压力的容器
真空干燥设备
减压蒸馏系统
外压容器工作过程中会发生什么？
刚才的视频中，看 到了什么现象？
容器突然间瘪了
此容器在工作中承受什么力？ 压力
容器在还没发生强 度破坏的时候就突 然的被压瘪。
一、外压容器失稳概念： 这种在外压作用下，筒体 突然失去原有形状而被压 瘪或出现波纹的现象，称 外压容器的失稳
失去稳定性和 谁有关？
临界 压Pcr
临界压力
三、临界压力：导致筒体失稳的外压
工作压力为0.04PMa、 0.03MPa时？
工作压力为 0.06MPa时呢？
容器正常工 作
失稳
容器正常的工作压力 要 小于 临界压力Pcr
四、临界压力Pcr的影响因素
L、D、S
临界压 力Pcr和 哪些因 素有关 系？
外压容器正常工作 的必要条件是，
二、外压容器失稳形式 轴 侧 向 向 失 失 局部失稳 稳 稳
简图
保证足够的 稳定性
载荷？ 变形？
简图
简图
1、侧向失稳：主要承受侧
小
向外压，变形为横截面由 圆形变为波形（扁了、瘪 了）
2、轴向失稳：承受轴向外 压，变形为径线由直线变 结 为曲线 3、局部失稳：局部外压， 变形为局部径线由直线变 为曲线
材料性能
筒体形状及材 料的不均匀性
1、
几何尺寸：L、D、S
返 回 下 一 页
2、材料性能
3、筒体形状和材 料的不均匀
材料的弹性 模数越大， 临界压力 就越大，
材料的形 状和材料 的不均匀
结束
小结：
1、外压容器失稳及失稳形式
2临界压力和临界压力的影响
因素
•
拓展知识
：1、对比分析内压容器和
外压容器在失效、受力情况上的不同 2、外压容器失稳在实际生产中的危害
材料 弹性 模数
钢
铸钢
铜 12500
20000— 17500 —21000 450
临界 500 压力 mm水柱
350
弹性模数越大的材料，临 界压力越大还是小？
返回结 论
返回 因素
1、侧向失稳：
返回
下一 页
2、轴向失稳
返 回
下 一 页
3、局部失稳：
返回
返回
结束
波形视频
简图
返回
返 回
下 一 页
结束
返 回
下 一 页
返 回 下 一 页
侧向失稳
返回 概念 返回 波形 返回 侧向
返回 临界 压力
简图
轴向失稳
返回
简图
局部失稳
返回
简图
实验：
外压薄壁容器
什么样的容器称为外压容器？
外部压力大于内部压力的容器
真空干燥设备
减压蒸馏系统
外压容器工作过程中会发生什么？
刚才的视频中，看 到了什么现象？
容器突然间瘪了
此容器在工作中承受什么力？ 压力
容器在还没发生强 度破坏的时候就突 然的被压瘪。
一、外压容器失稳概念： 这种在外压作用下，筒体 突然失去原有形状而被压 瘪或出现波纹的现象，称 外压容器的失稳
失去稳定性和 谁有关？
临界 压Pcr
临界压力
三、临界压力：导致筒体失稳的外压
工作压力为0.04PMa、 0.03MPa时？
工作压力为 0.06MPa时呢？
容器正常工 作
失稳
容器正常的工作压力 要 小于 临界压力Pcr
四、临界压力Pcr的影响因素
L、D、S
临界压 力Pcr和 哪些因 素有关 系？
外压容器正常工作 的必要条件是，
二、外压容器失稳形式 轴 侧 向 向 失 失 局部失稳 稳 稳
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保证足够的 稳定性
载荷？ 变形？
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1、侧向失稳：主要承受侧
小
向外压，变形为横截面由 圆形变为波形（扁了、瘪 了）
2、轴向失稳：承受轴向外 压，变形为径线由直线变 结 为曲线 3、局部失稳：局部外压， 变形为局部径线由直线变 为曲线
材料性能
筒体形状及材 料的不均匀性
1、
几何尺寸：L、D、S
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2、材料性能
3、筒体形状和材 料的不均匀
材料的弹性 模数越大， 临界压力 就越大，
材料的形 状和材料 的不均匀
结束
小结：
1、外压容器失稳及失稳形式
2临界压力和临界压力的影响
因素
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拓展知识
：1、对比分析内压容器和
外压容器在失效、受力情况上的不同 2、外压容器失稳在实际生产中的危害
材料 弹性 模数
钢
铸钢
铜 12500
20000— 17500 —21000 450
临界 500 压力 mm水柱
350
弹性模数越大的材料，临 界压力越大还是小？
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