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 L cr 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：

3

2)(12D

t 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

4

2

)

()(06

.7D t D L n = 临界压力可由下式计算：

t

D 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 ）。用千分尺测壁厚，用游标卡尺测内直径（便于精确测量）和长度，外直径0D 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。

2. 手动放气，确保压力为零。按图二所示安装实验设备，将外压圆筒试件6置于平板顶盖上，试件与平顶盖间用垫片5密封（试件折边上下各放一垫片）；用压紧法兰4通过四个密封螺母2将试件压紧到平板顶盖上。

3. 将圆筒底垫块8 (一大一小) 置于外压圆筒底部，把用心轴7置于圆筒底垫块的中心孔中,再将横梁1压在心轴7上，通过两个压紧螺母2上紧 (用手旋紧既可)；以此抵消试件承受的轴向载荷。

4. 插好电源，先打开风机，再打开压缩机，根据试验时间，通过压力调节旋钮，可调节压

1-横梁 2-压紧螺母 3-密封螺母 4-压紧法兰 5-垫片 6-外压圆筒 7-心轴 8-圆筒底垫块 9-透明容器 10-工作台

力进入速度，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

p）。失稳后，需快速手动放气泄压，关（即有轻微响声时的瞬间压力,此压力为临界压力

cr

闭压缩机，再关闭风机。如压缩机中途关闭停机，重新开机时须将压力卸到零方能启动。

5. 待压力为零后取出试件，观察失稳后试件的形状并记下波纹数。

6. 关闭电源开关，清理好实验备件和工具。

五、实验报告内容及要求：

1、简述实验目的及原理、实验装置简图，附实验数据记录表。

2、绘出试件失稳前后的横断形状简图。

3、将测量的试件几何尺寸、临界压力值、波形数等实验数据和理论计算结果填入实验报告。

4、用理论计算公式和算图法分别计算其临界压力值，并与实测值进行比较。

5、用公式计算波形数，根据实际波形数分析圆筒性质。

6、分析讨论外压容器中影响临界压力大小的各种因素。

附：

试件材料：

弹性模量E= Mpa；泊松比μ=

外压失稳实验记录表