外压容器失稳实验——新装置

实验二外压薄壁圆筒形容器失稳实验

一、试验目的：

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、试验原理：

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

图一圆筒形容器失去稳定后的形状

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：

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. 按图二所示安装实验设备，先用手摇泵将透明容器内的水升至容器的约三份之二处;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。

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

4. 打开压缩机开关，调节好流量，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（即有轻微响声时的瞬间压力,此压力为临界压力

p）。失稳后需快速关闭压缩机开关。

cr

5.打开压缩机卸压开关，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. 关闭压缩机的电源开关，清理好实验备件和工具。

五、实验报告：

1. 列出测量所得的试件几何尺寸数据。

2. 验算波纹数n。

3. 计算容器的临界压力并与实测值进行比较。

4. 讨论、分析试验结果，分析误差原因。

实验三 厚壁圆筒爆破及测试实验

一、试验目的

1.测定圆筒塑性变形开始和结束时的屈服压力值；

2.测定圆筒破坏时的爆破压力，并通过计算验证理论公式；

3.了解过程装备控制专业数据自动采集测量系统基本单元的原理。 二、试验原理 1．

屈服压力值的理论计算：

（1） 屈服压力 2

21

3

K

K p s s -=

σ

（2） 全始屈服压力（材料为理想弹塑性） K p s so ln 3

2σ=

2．

爆破压力值的理论计算：

承受内压的高压筒体，其爆破压力计算方法有如下几种：

（1）

Faupel 公式： K p b

s

s b ln )2(3

2σσσ-

=

（2） 中径公式：

1

1

2=-=K K p b

b σ （3） 最大主应力理论

b b K K p σ)1

1

(22+-=

（4） 最大线应变理论

b b K K p σ)4

.03.11

(2

2+-=

（5） 最大剪应力理论

b b K K p σ)21

(2

2-=

（6） 最大变形能理论 b b K

K p σ)31(2

2-=

以上式中符号意义详见现教材“过程设备设计” 教材和王志文主编的“化工容器设计”以及余国宗主编的“化工容器及设备”。 3．爆破试验原理过程：

塑性材料制造的压力容器的爆破过程如图一所示，在弹性变形阶段（OA线段），器壁应力较小，产生弹性变形，内压与容积变化量成正比，随着压力的增大，应力和变形不断增加；到A点时容器内表面开始屈服，与A点对应的压力为初始屈服压力

p；在弹塑性变形阶段

s

（AC线段），随着内压的继续提高，材料从内壁向外壁屈服，此时，一方面因塑性变形而使材料强化导致承压能力提高，另一方面因厚度不断减小而使承压能力下降，但材料强化作用大于厚度减小作用，到C点时两种作用已接近，C点对应的压力是容器所能承受的最大压力，称为塑性垮塌压力；在爆破阶段（CD线段），容积突然急剧增大，使容器继续膨胀所需要的压力也相应减小，压力降落到D点，容器爆炸，D点所对应的压力为爆破压力

p。

b

三、实验装置与工作原理

1．实验装置

本仪器中的液体介质油的吸入、压缩与排出是通过活塞腔容积的周期性变化而实现的。电机接入电源后进入正常运转，通过减速器带动偏心轮传至十字头滑块，活塞柱通过滑快与导向杆相连（导向杆在导向套内）做往复运动，当缸内处于低压状态时吸入介质油，活塞杆压缩时，泵内高压流体经过止回阀向爆破试件中输送，使爆破试件中内压不断升高。

2．工作原理

本系统的压力增升原理图2所示，活塞杆9在缸内作往复运动，介质油通过进口单向阀5吸入缸内，活塞柱向缸内推进时，进口单向