1、1復習復習 按承壓方式對壓力容器分類按承壓方式對壓力容器分類內壓容器內壓容器外壓容器外壓容器壓力容器壓力容器2教學重點：教學重點： （1）失穩和臨界壓力的概念）失穩和臨界壓力的概念； （2）影響臨界壓力的因素；）影響臨界壓力的因素； （3）外壓容器的圖算法設計。）外壓容器的圖算法設計。 教學難點：教學難點： 圖算法的原理。圖算法的原理。第五章第五章 外壓圓筒與封頭的設計外壓圓筒與封頭的設計 3第一節第一節 概述概述一、外壓容器的失穩一、外壓容器的失穩 殼體殼體外部外部壓力壓力大于大于殼體殼體內部內部壓力的容器稱為外壓容器壓力的容器稱為外壓容器 (舉例：真空冷凝器，夾套反應釜)1、外壓容器的定義

2、、外壓容器的定義41-攪拌器攪拌器 2-罐體罐體 3-夾套夾套 4-攪拌軸攪拌軸 5-壓出管壓出管 6-支座支座 7-人孔人孔 8-軸封軸封 9-傳動裝置傳動裝置圖圖5-1 夾套反應釜結構圖夾套反應釜結構圖5薄壁圓筒薄壁圓筒4pDm 周向薄膜應力周向薄膜應力 2pD 計算厚度，計算厚度，mm；D筒體中間面直徑，筒體中間面直徑，mm。經向薄膜應力經向薄膜應力壓應力壓應力2、外壓薄壁容器的受力、外壓薄壁容器的受力6承受外壓載荷的殼體，當外承受外壓載荷的殼體，當外壓載荷增大到某一值時，殼壓載荷增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現波紋，載荷卸被壓扁或出現波紋，

3、載荷卸去后，殼體不能恢復原狀，去后，殼體不能恢復原狀，這種現象稱為外壓殼體的這種現象稱為外壓殼體的失穩失穩。3、失穩及其實質、失穩及其實質圖圖5-2 失穩后的情況失穩后的情況78二、容器失穩型式的分類二、容器失穩型式的分類 側向失穩側向失穩容器由均勻側向外壓容器由均勻側向外壓引起的失穩，叫側向引起的失穩，叫側向失穩失穩 特點特點: :橫斷面橫斷面由圓形變為波形由圓形變為波形長長圓筒圓筒動畫動畫2波波短圓筒短圓筒動畫動畫3波波短圓筒短圓筒動畫動畫4波波p1、按受力方向分為側向失穩與軸向失穩、按受力方向分為側向失穩與軸向失穩圖圖5-3 外壓圓筒側向失穩后的形狀外壓圓筒側向失穩后的形狀9軸向失穩軸向

4、失穩 軸向失穩由軸向壓應力引起，失穩后其軸向失穩由軸向壓應力引起，失穩后其經線由原來的直線變為波形線，而橫斷經線由原來的直線變為波形線，而橫斷面仍為圓形。面仍為圓形。 p圖圖5-4 薄膜圓筒的軸向失穩薄膜圓筒的軸向失穩10整體失穩整體失穩局部失穩局部失穩 壓應力均布于全部周向或徑向，失壓應力均布于全部周向或徑向，失穩后整個容器被壓癟。穩后整個容器被壓癟。壓應力作用于某局部處，失穩后局部壓應力作用于某局部處，失穩后局部被壓癟或皺折，如容器在支座或其他被壓癟或皺折，如容器在支座或其他支承處以及在安裝運輸中由于過大的支承處以及在安裝運輸中由于過大的局部外壓引起的局部失穩。局部外壓引起的局部失穩。2、

5、按壓應力作用范圍分為整體失穩與局部失穩、按壓應力作用范圍分為整體失穩與局部失穩11第二節第二節 臨界壓力臨界壓力 一、臨界壓力的概念一、臨界壓力的概念 殼體失穩時所承受的相應壓力，稱為臨界壓力。殼體失穩時所承受的相應壓力，稱為臨界壓力。 殼體在臨界壓力作用下，殼體內存在的壓應殼體在臨界壓力作用下，殼體內存在的壓應力稱為臨界壓應力。力稱為臨界壓應力。crP臨界壓力臨界壓力cr 臨臨界界壓壓應應力力12二、影響臨界壓力的因素二、影響臨界壓力的因素 第一組（）：第一組（）：L/D相同時，相同時，/D大者臨界壓力高；大者臨界壓力高；第二組（）：第二組（）：/D相同時，相同時，L/D小者臨界壓力高；小者

6、臨界壓力高；第三組（）：第三組（）：/D、L/D相同，有加強圈者臨界壓力高。相同，有加強圈者臨界壓力高。1、筒體幾何尺寸的影響、筒體幾何尺寸的影響13材料的彈性模數材料的彈性模數E和泊桑比和泊桑比越大，其越大，其抵抗變形的能力就越強，因而其臨界抵抗變形的能力就越強，因而其臨界壓力也就越高。壓力也就越高。但是，由于各種鋼材的但是，由于各種鋼材的E和和值相差不值相差不大，所以選用高強度鋼代替一般碳素大，所以選用高強度鋼代替一般碳素鋼制造外壓容器，并鋼制造外壓容器，并不能提高不能提高筒體的筒體的臨界壓力臨界壓力2、筒體材料性能的影響、筒體材料性能的影響14穩定性的破壞并不是由于殼體存在橢圓度穩定性的

7、破壞并不是由于殼體存在橢圓度或材料不均勻而引起的。無論殼體的形狀或材料不均勻而引起的。無論殼體的形狀多么精確，材料多么均勻，當外壓力達到多么精確，材料多么均勻，當外壓力達到一定數值時也會失穩。一定數值時也會失穩。殼體的橢圓度與材料的不均勻性，能使其殼體的橢圓度與材料的不均勻性，能使其臨界壓力的數值降低，使失穩提前發生。臨界壓力的數值降低，使失穩提前發生。3、筒體橢圓度和材料不均勻性的影響、筒體橢圓度和材料不均勻性的影響15三、三、 長圓筒、短圓筒、剛性圓筒的定性描述長圓筒、短圓筒、剛性圓筒的定性描述 相對幾相對幾何尺寸何尺寸兩端兩端邊界邊界影響影響 臨界壓力臨界壓力失穩時失穩時波形數波形數長圓

8、筒長圓筒忽略忽略2短圓筒短圓筒顯著顯著大于大于2的整數的整數剛性剛性圓筒圓筒不失穩不失穩較大L/D0較小較小0/ DL較大較大較小較小00/DDLe 無關無關與與有關有關與與00/DLDe 有關有關與與有關有關與與00/DLDe 16四、臨界壓力的理論計算公式四、臨界壓力的理論計算公式 302 . 2 DEpetcr ;,MPapcr臨界壓力臨界壓力 ;,mme筒體的有效壁厚筒體的有效壁厚 ;,0mmD筒體的外直徑筒體的外直徑 ;材料的泊桑比材料的泊桑比 MPaEt,模數模數設計溫度下材料的彈性設計溫度下材料的彈性 鋼制長圓筒鋼制長圓筒有關與材料及0/ Dpecr0/ DL與與無關無關3021

9、2 DEpetcr 1、長圓筒、長圓筒17推論：從長圓筒臨界壓力公式可得推論：從長圓筒臨界壓力公式可得相應的臨界應力與臨界應變公式相應的臨界應力與臨界應變公式臨界壓力臨界壓力臨界應力臨界應力應變應變302 . 2 DEpetcr 21 . 12 oeteocrcrDEDp 21 . 1 oeD 應變與材料無關應變與材料無關,只與筒體幾何尺寸有關只與筒體幾何尺寸有關18 5 . 200/59. 2DLDEpetcr ;,mmL筒體的計算長度筒體的計算長度 有關有關與材料與材料0/ D、pecr 0/DL與與有關有關圓筒外部或內部兩相鄰剛性構件之間的圓筒外部或內部兩相鄰剛性構件之間的最大最大距離距

10、離舉例舉例2、鋼制短圓筒、鋼制短圓筒19L圓筒長封頭直邊段圓筒長封頭直邊段 端蓋端蓋1深度深度+ 端蓋端蓋2深度深度31舉例舉例3120002000 對于凸形端蓋對于凸形端蓋對于筒體上有加強圈的對于筒體上有加強圈的圓筒外部或內部兩相鄰剛性構件之間的圓筒外部或內部兩相鄰剛性構件之間的最大最大距離距離圖圖5-5 外圓筒的計算長度外圓筒的計算長度20推論：從短圓筒臨界壓力公式可得推論：從短圓筒臨界壓力公式可得相應的臨界應力與臨界應變公式相應的臨界應力與臨界應變公式臨界壓力臨界壓力臨界應力臨界應力應變應變 5 . 100/3 . 12DLDEDpeteocrcr 應變與材料無關應變與材料無關,只與筒體

11、幾何尺寸有關只與筒體幾何尺寸有關 5 . 100/3 . 1DLDe 5 . 200/59. 2DLDEpetcr 21 teeictDp壓壓壓壓2)( )(2eitewDp 壓壓MPapc,計算外壓力計算外壓力 ;,mme筒體的有效壁厚筒體的有效壁厚 ;,mmDi筒體的內直徑筒體的內直徑 ; 1, 在計算壓應力時可取在計算壓應力時可取焊接接頭系數焊接接頭系數3、剛性圓筒、剛性圓筒;4/,tstMPa 可取可取用壓應力用壓應力材料在設計溫度下的許材料在設計溫度下的許壓壓 22 crcrLL和和1)定義定義: 容器在外壓作用下，與臨界壓力相對應容器在外壓作用下，與臨界壓力相對應的長度，稱為臨界長

12、度的長度，稱為臨界長度 。2)作用作用: 用臨界長度和作為長、短圓筒和剛性用臨界長度和作為長、短圓筒和剛性圓筒的區分界限。圓筒的區分界限。crL crL剛性圓筒剛性圓筒短圓筒短圓筒長圓筒長圓筒五、五、 臨界長度和長圓筒、短圓筒、剛性圓筒的定量描述臨界長度和長圓筒、短圓筒、剛性圓筒的定量描述1、臨界長度、臨界長度23eoocrDDL 17. 1 302 . 2 DEpetcr 5 . 200/59. 2DLDEpetcr 長圓筒臨界壓力公式長圓筒臨界壓力公式3)求解求解: crcrLL和和24 crL短圓筒臨界壓力公式短圓筒臨界壓力公式 5 . 200/59. 2DLDEpetcr 剛性圓筒最高

13、剛性圓筒最高工作壓力公式工作壓力公式)(2eitewDp 壓壓254)結論結論crL crL剛性圓筒剛性圓筒短圓筒短圓筒長圓筒長圓筒若某圓筒的計算長度為若某圓筒的計算長度為 L ，則則： L crL 屬長圓筒屬長圓筒 crL L L L crL L 屬短圓筒屬短圓筒 L L crL 屬剛性圓筒屬剛性圓筒 26第三節第三節 外壓圓筒的工程設計外壓圓筒的工程設計一、設計準則一、設計準則 mPPcrP許用外壓力，許用外壓力，MPam穩定安全系數。穩定安全系數。 1、許用外壓力、許用外壓力P和穩定安全系數和穩定安全系數m對圓筒、錐殼 m=3； 球殼、橢圓形和碟形封頭 m=15 272、設計準則、設計準

14、則計算壓力PcmPPcr，并接近P 28二、外壓圓筒壁厚設計的圖算法二、外壓圓筒壁厚設計的圖算法1、算圖的由來（、算圖的由來（*詳附件，非機專業略講）詳附件，非機專業略講） 圓筒受外壓時，其臨界壓力的計算公式為：圓筒受外壓時，其臨界壓力的計算公式為： 在臨界壓力作用下，筒壁產生相應的應力及應變即在臨界壓力作用下，筒壁產生相應的應力及應變即302 . 2 DEpetcr 5 . 200/59. 2DLDEpetcr (5-1) (5-2) （1）幾何參數計算圖：）幾何參數計算圖：L/DoDo/eA 關系曲線關系曲線29ecrcrDp 20 tecrtcrEDpE2)(0 將（將（51）式和（）式

15、和（52）式分別代入上式得：）式分別代入上式得：20030)(1.12)()(2.2DEDDEeteet (5-7) 05.10005.20)(3.12)()(59.2DLDEDLDDEeteet (5-8) ),(00DLDfe 30令令 A= ， 以以A作為橫坐標，作為橫坐標，L/Do作為縱坐標，作為縱坐標， Do/e作為作為參量參量繪成曲線；見圖繪成曲線；見圖5-6),(00DLDfe 31圖圖5-6 外壓或軸向受壓圓外壓或軸向受壓圓筒和管子筒和管子幾何參數幾何參數計算圖計算圖（用于所有（用于所有材料）材料）cr32（2）厚度計算圖（不同材料）：）厚度計算圖（不同材料）：BA關系曲線關系

16、曲線 已知已知 L/Do，Do/e查查幾何算圖幾何算圖周向應變周向應變A（橫坐標橫坐標）找出找出APcr 的關系（類似于的關系（類似于crcr）判定筒體在操作外壓力下是否安全判定筒體在操作外壓力下是否安全（圖（圖5-6）33于是由于是由 etetcrtcrEDpmEDpE 2200 可得可得 0)2(DEmpet 令令 tEmB2 (5-9) pcr=mp0DBpe (5-10)34由于由于 ttEEmB322 若以若以 為橫坐標，為橫坐標，B為縱坐標為縱坐標，將將B與與 (即圖中即圖中A)關系用曲關系用曲線表示出來，我們就得到了如圖線表示出來，我們就得到了如圖57所示的曲線。利用這組所示的曲

17、線。利用這組曲線可以方便而迅速地從曲線可以方便而迅速地從 找到與之相對應的系數找到與之相對應的系數B，并進而并進而用用(510)式求出式求出p。AB圖圖5-7 外壓圓筒的許用應力與應變的關系外壓圓筒的許用應力與應變的關系35系數系數A=cr系數系數B/MPa圖5- 7 外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖(屈服點s207MPa的碳素鋼和0Cr13、1Cr13鋼)圖 - 8 外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖(屈服點s207MPa的碳素鋼和0Cr13、1Cr13鋼)36系數系數B/MPa系數系數A=cr圖 -9 外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖 (16MnR，15CrMo鋼)圖5-外壓圓筒、管子和球殼厚度計

18、算圖 (16MnR，15CrMo鋼)37（二）外壓圓筒和管子厚度的圖算法（二）外壓圓筒和管子厚度的圖算法 20/0eD(2)查查A系數：在圖系數：在圖5-5縱坐標上找到縱坐標上找到 ，由此點水平移動與線由此點水平移動與線 相交，再垂直下相交，再垂直下移在橫坐標上讀得系數移在橫坐標上讀得系數A(3)由由材料選用圖材料選用圖5-7至圖至圖5-14,在橫坐標上找在橫坐標上找出系數出系數A，若，若A在設計溫度的材料線右方，在設計溫度的材料線右方，則垂直移動與材料溫度線相交，再水平右移則垂直移動與材料溫度線相交，再水平右移得得B系數并按系數并按(5-11)計算許用外壓力，計算許用外壓力， 若若A值在材料

19、溫度線左方，按式（值在材料溫度線左方，按式（5-12）計算）計算eDBp/0etDAEp/320(5-12)(5-11)eoD /(1)假設，令假設，令 ，求出，求出oDL/n Cne 和和(4)比較計算壓力比較計算壓力Pc與許用外壓力與許用外壓力P，要，要求求Pc P且比較接近且比較接近 情況情況1oDL/eoD /3820/0 eD 情況情況2(1)用與用與D0 / e 20時相同的步驟得到系數時相同的步驟得到系數B。但對于但對于D0 / e 4的圓筒和管子，的圓筒和管子，則系數則系數A用下式計算用下式計算：20)/(1.1eDA (5-13) 系數系數A時時取取A 0取以下兩值中的較小值

20、取以下兩值中的較小值： 02 t 或或 00.9 st 或或0.9 0.2t(2)用步驟用步驟A所得系數所得系數B，下式計算下式計算p1和和p2：/11/20002eeDDp (5-15) BDpe0625.0/25.201 (5-14) (3) 所得所得p1和和p2中的較小值為許用外壓力中的較小值為許用外壓力p。比較比較 pc與與p，若若p cp，則需再假設壁厚則需再假設壁厚n， 重復上述計算步驟，直至重復上述計算步驟，直至 p大于且接近于大于且接近于pc為止。為止。39三、外壓圓筒的試壓三、外壓圓筒的試壓外壓容器和真空容器以內壓進行壓力試驗。外壓容器和真空容器以內壓進行壓力試驗。 試驗壓力

21、試驗壓力液壓試驗 Tp=1.25p 氣壓試驗 Tp=1.15p MPapMPapT試驗壓力，試驗壓力，；設計壓力，設計壓力， 40試確定一外壓圓筒的壁厚。已知計算外壓力試確定一外壓圓筒的壁厚。已知計算外壓力Pc0.2MPa，內徑內徑Di1800mm，圓筒計算長度圓筒計算長度L10350mm，如圖如圖5-15(a)所示，所示，設計溫度為設計溫度為250，壁厚附加量取，壁厚附加量取C2mm，材質為材質為16MnR，其彈性模數其彈性模數Et186.4103MPa。四、例題四、例題 (a) (b) hi/3 hiD0 L=10350 hi/3 hi/3 hiD0 hi/3 L=3450L=3450L=

22、345041(1) 設筒體名義壁厚設筒體名義壁厚n14mm，則，則D0 1800+2141828mm 筒體有效壁厚筒體有效壁厚e n - C14-212 mm，則，則 LD01035018285.7；D0e 182812152；(D0e 20)。hi/3 hiD0 L=10350 hi/3 42(2) 在圖在圖55的左方找出的左方找出LD0 5.7的點，將其水平右移，與的點，將其水平右移，與D0 / e 152的點交于一點，再將點下移，在圖的下方得到系的點交于一點，再將點下移，在圖的下方得到系數數A0.00011；430.000150.00020.0001144(3)(3)在在圖圖5 59 9

23、的下方找到系數的下方找到系數A A0.000110.00011所對應的點，此點落在材料所對應的點，此點落在材料溫度線的左方，故利用溫度線的左方，故利用5 51212式確定式確定 p p ： 顯然顯然 p p p p，故須重新假設壁厚故須重新假設壁厚n n或設置加強圈。現按設或設置加強圈。現按設兩個加強圈進行計算兩個加強圈進行計算( (仍取仍取n 14mm)14mm)。)(0899. 01523104 .16800011. 02/3230MPaDAEpet (b) hi/3 hiD0 hi/3 L=3450L=3450L=345045(1) 設兩個加強圈后計算長度設兩個加強圈后計算長度L3450

24、mm，則則 L LD D0 0 34503450182818281.91.9， D D0 0 / / e e 152 152 ；(2)由圖由圖55查得查得A0.00035；(3)(3)在圖在圖5 59 9的下方找到系數的下方找到系數A=0.00035(A=0.00035(此點落在材料溫度線的此點落在材料溫度線的右方右方) )，將此點垂直上移，與，將此點垂直上移，與250250的材料溫度線交于一點，再的材料溫度線交于一點，再將此點水平右移，在圖的右方得到將此點水平右移，在圖的右方得到B=42.5 B=42.5 ； (4)按按(513)式計算許用外壓力式計算許用外壓力p)MPa(28.01525.

25、42/0 eDBp (5)比較比較pc與與p，顯然，顯然p c=0.2MPa p， 且較接近，故取且較接近，故取e12mm合適。合適。 則該外壓圓筒采用則該外壓圓筒采用n n14mm14mm的的16MnR16MnR鋼板制造，設置兩個加鋼板制造，設置兩個加強圈，其結果是滿意的強圈，其結果是滿意的。46一、外壓球殼和球形封頭的設計一、外壓球殼和球形封頭的設計二、凸面受壓封頭的設計二、凸面受壓封頭的設計第四節第四節 外壓球殼與凸形封頭的設計外壓球殼與凸形封頭的設計學生課后自學學生課后自學47第五節第五節 加強圈的設計加強圈的設計一、加強圈的作用與結構一、加強圈的作用與結構 縮短圓筒的計算長度，增加圓筒的剛性，從而縮短圓筒的計算長度，增加圓筒的剛性，從而提高臨界壓力。提高臨界壓力。經濟意義大經濟意義大工字鋼工字鋼角鋼角鋼扁鋼扁鋼1、作用、作用2、結構、結構48（二）、結構（二）、結構 工字鋼工字鋼角鋼角鋼扁鋼扁鋼49根據式根據式(52)和和(58)，鋼制短圓筒臨界壓力為：，鋼制短圓筒臨界壓力為：式中式中Ls加強圈的間距，加強圈的間距，mm。05 .20/)/(59.2DL