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1、第第9章章 外压薄壁圆筒与外压薄壁圆筒与封头的强度设计封头的强度设计本讲稿第一页，共三十七页第一节第一节 概概 述述一、外压容器的失稳一、外压容器的失稳二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类本讲稿第二页，共三十七页一、外压容器的失稳一、外压容器的失稳n n外压容器外压容器外压容器外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。n n应力特点应力特点应力特点应力特点：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经向：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经向和环向压缩应力。和环向压缩应力。n n失效类型失效类型失效类型失效类型：n n强度破坏强度破坏强度破坏强度破坏（
2、很少发生）；（很少发生）；（很少发生）；（很少发生）；n n失稳破坏失稳破坏失稳破坏失稳破坏（主要失效形式）：外压圆筒筒壁内的压缩应力远低于材料（主要失效形式）：外压圆筒筒壁内的压缩应力远低于材料（主要失效形式）：外压圆筒筒壁内的压缩应力远低于材料（主要失效形式）：外压圆筒筒壁内的压缩应力远低于材料的屈服点时，筒壁就已经被突然的屈服点时，筒壁就已经被突然的屈服点时，筒壁就已经被突然的屈服点时，筒壁就已经被突然压瘪或发生褶绉压瘪或发生褶绉压瘪或发生褶绉压瘪或发生褶绉，即在一瞬间失去，即在一瞬间失去，即在一瞬间失去，即在一瞬间失去自身原来的形状。自身原来的形状。自身原来的形状。自身原来的形状。n
3、n弹性失稳弹性失稳弹性失稳弹性失稳：筒体在外压作用下突然失去原来形状，应力也由：筒体在外压作用下突然失去原来形状，应力也由：筒体在外压作用下突然失去原来形状，应力也由：筒体在外压作用下突然失去原来形状，应力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。本讲稿第三页，共三十七页二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类n n1.1.侧向失稳侧向失稳侧向失稳侧向失稳n n容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳，侧
4、向失稳时壳体容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳，侧向失稳时壳体容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳，侧向失稳时壳体容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳，侧向失稳时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。本讲稿第四页，共三十七页二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类n n1.1.侧向失稳侧向失稳本讲稿第五页，共三十七页二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类n n2.2.轴向失稳轴向失稳轴向失稳轴向失稳n n3.局部失稳局部失稳薄壁圆筒在轴向外压作用下引起的失稳。薄壁
5、圆筒在轴向外压作用下引起的失稳。失稳后仍具有圆形的环截面，但是破坏失稳后仍具有圆形的环截面，但是破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。圆筒发生了褶绉。容器在支座或其他支承处以及容器在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部在安装运输中由于过大的局部外压引起的局部失稳。外压引起的局部失稳。本讲稿第六页，共三十七页第二节第二节 临界压力临界压力一、临界压力一、临界压力二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素三、外压圆筒的分类三、外压圆筒的分类四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式五、临界长度五、临界长度本讲稿第七页，共三十七
6、页一、临界压力一、临界压力n n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。一旦当外压缩变形；压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当外压缩变形；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，就失去力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形，就失去力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形，就
7、失去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。了原来的稳定性。了原来的稳定性。了原来的稳定性。n n导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，以以Pcr表示。表示。n n筒体在临界压力作用下，筒壁内存在的压应力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，以称为临界压应力，以cr表示。表示。本讲稿第八页，共三十七页二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素n n1.筒体几何尺寸筒体几何尺寸n n试验证明：影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度试验证明：影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度试验证明：影响筒体临界
8、压力的几何尺寸主要有筒体的长度试验证明：影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度L L、筒体壁厚、筒体壁厚、筒体壁厚、筒体壁厚S S以及以及以及以及筒体直径筒体直径筒体直径筒体直径DD，并且：，并且：，并且：，并且：n n 长度长度长度长度L L一定时，一定时，一定时，一定时，S/DS/D越大，圆筒的临界压力越高；越大，圆筒的临界压力越高；越大，圆筒的临界压力越高；越大，圆筒的临界压力越高；n n 圆筒的圆筒的圆筒的圆筒的S/DS/D相同，筒体越短临界压力越高；相同，筒体越短临界压力越高；相同，筒体越短临界压力越高；相同，筒体越短临界压力越高；n n 筒体的筒体的筒体的筒体的S/DS/D和和
9、和和L/DL/D值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。n n计算长度计算长度计算长度计算长度：指两个刚性构件（如法兰、端盖、管板及加强圈等）间的距离。对与封头相：指两个刚性构件（如法兰、端盖、管板及加强圈等）间的距离。对与封头相：指两个刚性构件（如法兰、端盖、管板及加强圈等）间的距离。对与封头相：指两个刚性构件（如法兰、端盖、管板及加强圈等）间的距离。对与封头相联的筒体来说，计算长度应计入凸形封头联的筒体来说，计算长度应计入凸形封头联的筒体来说，计算长度应计入凸形封头联的筒
10、体来说，计算长度应计入凸形封头1/31/3凸面高度。凸面高度。凸面高度。凸面高度。本讲稿第九页，共三十七页二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素n n2.筒体材料性能的影响筒体材料性能的影响n n筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量E E和泊松比和泊松比和泊松比和泊松比 值越大，抵值越大，抵值越大，抵值越大，抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。抗变形的能力就
11、越强，因而其临界压力也就越高。抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。n n【注意注意注意注意】钢材的钢材的钢材的钢材的E E和和和和 值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器，不值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器，不值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器，不值相差不大，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。能提高筒体的临界压力。能提高筒体的临界压力。能提高筒体的临界压力。n n3.筒体椭圆度和材料不均匀筒体椭圆度和材料不均匀n n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稳定性破坏主要原因不是壳体存在椭圆
12、度或材料不均匀。因为即使壳体的形状很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。精确和材料很均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。精确和材料很均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。精确和材料很均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。n n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。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。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
13、生。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。n n载荷不对称性，边界条件等因素载荷不对称性，边界条件等因素本讲稿第十页，共三十七页三、外压圆筒的分类三、外压圆筒的分类n n1.1.长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒n n圆筒的圆筒的圆筒的圆筒的L/DL/D0 0较大，两端的边界影响可以忽略，临界压力较大，两端的边界影响可以忽略，临界压力较大，两端的边界影响可以忽略，临界压力较大，两端的边界影响可以忽略，临界压力PcrPcr仅与仅与仅与仅与Se/DSe/D0 0有关，而与有关，而与有关，而与有关，而与L/DL/D0 0无关（无关（无关（无关（L L为圆筒的计算长度）。失稳
14、时波形为圆筒的计算长度）。失稳时波形为圆筒的计算长度）。失稳时波形为圆筒的计算长度）。失稳时波形数数数数n=2n=2。n n2.2.短圆筒短圆筒n n两端的边界影响显著，临界压力两端的边界影响显著，临界压力两端的边界影响显著，临界压力两端的边界影响显著，临界压力PcrPcr不仅与不仅与不仅与不仅与Se/DSe/D0 0有关，而且与有关，而且与有关，而且与有关，而且与L/DL/D0 0也有关，筒失稳时波形数也有关，筒失稳时波形数也有关，筒失稳时波形数也有关，筒失稳时波形数n n为大于为大于为大于为大于2 2的整数。的整数。的整数。的整数。n n3.刚性圆筒刚性圆筒刚性圆筒刚性圆筒n n圆筒的圆筒
15、的圆筒的圆筒的L/DL/D0 0较小，而较小，而较小，而较小，而Se/DSe/D0 0较大，故刚性较好。其破坏原因是由较大，故刚性较好。其破坏原因是由较大，故刚性较好。其破坏原因是由较大，故刚性较好。其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致，而不会发生失稳。于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致，而不会发生失稳。于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致，而不会发生失稳。于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致，而不会发生失稳。n n 长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校验，长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校验，后者更重要。后者更重要。本讲稿第十一页，共三十七页四、临界压力的理
16、论计算公式四、临界压力的理论计算公式n n1.1.钢制长圆筒钢制长圆筒钢制长圆筒钢制长圆筒临界压力公式临界压力公式钢制圆筒钢制圆筒(=0.3)临界应力公式临界应力公式式中式中 Pcr临界压力，临界压力，MPa；Et设计温度下材料的弹性模数，设计温度下材料的弹性模数，MPa；Se筒体的有效壁厚，筒体的有效壁厚，mm；D0筒体的外直径，筒体的外直径，mm；材料的泊桑比。材料的泊桑比。注意注意长圆筒的临界压长圆筒的临界压力仅与圆筒的材料和圆筒力仅与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之比的壁厚与直径之比Se/D0有有关，而与圆筒的长径比关，而与圆筒的长径比L/D0无关。无关。本讲稿第十二页，共三十七页四、临
17、界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式n n2.2.钢制短圆筒钢制短圆筒钢制短圆筒钢制短圆筒临界压力公式临界压力公式注意注意短圆筒的临界压力除与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之短圆筒的临界压力除与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之比比Se/D0有关，而且与有关，而且与L/D0也有关也有关 临界应力公式临界应力公式本讲稿第十三页，共三十七页四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式n n3.3.刚性圆筒刚性圆筒刚性圆筒刚性圆筒n n刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行强度校验。其强度校验公式与计算内刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行强度校验。其强度校验公式与计算内刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行
18、强度校验。其强度校验公式与计算内刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行强度校验。其强度校验公式与计算内压圆筒的公式一样。压圆筒的公式一样。压圆筒的公式一样。压圆筒的公式一样。强度校核强度校核许用外压校核许用外压校核材料设计温度的许用压应力，可取材料设计温度的许用压应力，可取 =s/4；本讲稿第十四页，共三十七页五、临界长度五、临界长度n n1.长、短圆筒的临界长度长、短圆筒的临界长度长、短圆筒的临界长度长、短圆筒的临界长度n n刚刚刚刚性性性性圆圆圆圆筒筒筒筒不不不不会会会会失失失失稳稳稳稳破破破破坏坏坏坏，只只只只需需需需进进进进行行行行强强强强度度度度校校校校验验验验。其其其其强强强强度度度度校校
19、校校验验验验公公公公式式式式与计算内压圆筒的公式一样。与计算内压圆筒的公式一样。与计算内压圆筒的公式一样。与计算内压圆筒的公式一样。本讲稿第十五页，共三十七页五、临界长度五、临界长度n n2.短、刚性圆筒的临界长度短、刚性圆筒的临界长度短、刚性圆筒的临界长度短、刚性圆筒的临界长度n nL L L LLcrLcrLcrLcr时，长圆筒；时，长圆筒；时，长圆筒；时，长圆筒；n nLcrLcrLcrLcrL L L LLcrLcrLcrLcr，短圆筒；，短圆筒；，短圆筒；，短圆筒；n nL L L LLcrLcrLcrLcr，刚性圆筒。，刚性圆筒。，刚性圆筒。，刚性圆筒。本讲稿第十六页，共三十七页第
20、三节第三节 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计一、设计准则一、设计准则二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法三、外压容器的试压三、外压容器的试压本讲稿第十七页，共三十七页一、设计准则一、设计准则n n1.1.许用压力的确定许用压力的确定n n工程上在外压力等于或接近于临界压力工程上在外压力等于或接近于临界压力工程上在外压力等于或接近于临界压力工程上在外压力等于或接近于临界压力pcrpcr时进行操作是绝不允许时进行操作是绝不允许时进行操作是绝不允许时进行操作是绝不允许的，必须使许用压力的，必须使许用压力的，必须使许用压力的，必须使许用压力pp比临界压力小比临界压力小比临界压力
21、小比临界压力小mm倍，即：倍，即：倍，即：倍，即：n n n nmm稳定安全系数，根据稳定安全系数，根据稳定安全系数，根据稳定安全系数，根据GBl50GBl509898钢制压力容器钢制压力容器钢制压力容器钢制压力容器规定：规定：规定：规定：n n对圆筒、锥壳取对圆筒、锥壳取对圆筒、锥壳取对圆筒、锥壳取m=3.0m=3.0；n n球壳、椭圆形和碟形封头取球壳、椭圆形和碟形封头取球壳、椭圆形和碟形封头取球壳、椭圆形和碟形封头取m=15m=15。n n2.2.设计准则设计准则设计准则设计准则n n必须使设计压力必须使设计压力必须使设计压力必须使设计压力pppp，并接近，并接近，并接近，并接近pp，则
22、所确定的筒体壁厚才是满，则所确定的筒体壁厚才是满，则所确定的筒体壁厚才是满，则所确定的筒体壁厚才是满足外压稳定的合理要求。足外压稳定的合理要求。足外压稳定的合理要求。足外压稳定的合理要求。本讲稿第十八页，共三十七页二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1.算图的由来算图的由来n n临界压力作用下，筒壁产生的环向应力临界压力作用下，筒壁产生的环向应力临界压力作用下，筒壁产生的环向应力临界压力作用下，筒壁产生的环向应力 crcr及应变及应变及应变及应变 为：为：为：为：n n临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变临界压力作用下长圆筒与短圆筒
23、内的应变临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变、为：为：为：为：长圆筒应变长圆筒应变短圆筒应变短圆筒应变本讲稿第十九页，共三十七页二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1.算图的由来算图的由来算图的由来算图的由来n n外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（SeSe，DD0 0，L L）之间的关系）之间的关系）之间的关系）之间的关系n n对于一个壁厚和直径已经确定的筒体（即该筒的对于一个壁厚和直径已经确定的筒体（即该筒的对
24、于一个壁厚和直径已经确定的筒体（即该筒的对于一个壁厚和直径已经确定的筒体（即该筒的DD0 0/Se/Se的值）来说，的值）来说，的值）来说，的值）来说，筒体失稳时的环向应变筒体失稳时的环向应变筒体失稳时的环向应变筒体失稳时的环向应变 值将只是值将只是值将只是值将只是L/DL/D0 0的函数，不同的的函数，不同的的函数，不同的的函数，不同的L/DL/D0 0值的圆筒值的圆筒值的圆筒值的圆筒体，失稳时将产生不同的体，失稳时将产生不同的体，失稳时将产生不同的体，失稳时将产生不同的 值。以值。以值。以值。以 为横坐标，以为横坐标，以为横坐标，以为横坐标，以L/DL/D0 0为纵坐标，为纵坐标，为纵坐标
25、，为纵坐标，就可得到一系列具有不同就可得到一系列具有不同就可得到一系列具有不同就可得到一系列具有不同DD0 0/Se/Se值筒体的值筒体的值筒体的值筒体的 L/DL/D0 0的关系曲线图，图的关系曲线图，图的关系曲线图，图的关系曲线图，图中以系数中以系数中以系数中以系数A A代替代替代替代替（见教材（见教材（见教材（见教材P211P211图图图图11113 3）。）。）。）。本讲稿第二十页，共三十七页二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1.算图的由来算图的由来n n垂直线段（对应长圆筒）与垂直线段（对应长圆筒）与垂直线段（对应长圆筒）与垂直线段（对应长圆筒）与倾斜直线
26、（短圆筒）。曲线倾斜直线（短圆筒）。曲线倾斜直线（短圆筒）。曲线倾斜直线（短圆筒）。曲线的转折点所表示的长度是该的转折点所表示的长度是该的转折点所表示的长度是该的转折点所表示的长度是该圆筒的长、短圆筒临界长度。圆筒的长、短圆筒临界长度。圆筒的长、短圆筒临界长度。圆筒的长、短圆筒临界长度。n n利用这组曲线，可以迅速利用这组曲线，可以迅速利用这组曲线，可以迅速利用这组曲线，可以迅速找出一个尺寸已知的外压找出一个尺寸已知的外压找出一个尺寸已知的外压找出一个尺寸已知的外压圆筒失稳时筒壁环向应变圆筒失稳时筒壁环向应变圆筒失稳时筒壁环向应变圆筒失稳时筒壁环向应变是多少。是多少。是多少。是多少。n n一个
27、尺寸已知的外压圆筒，当一个尺寸已知的外压圆筒，当一个尺寸已知的外压圆筒，当一个尺寸已知的外压圆筒，当它失稳时，其临界压力是多少它失稳时，其临界压力是多少它失稳时，其临界压力是多少它失稳时，其临界压力是多少？为保证安全操作，其允许的？为保证安全操作，其允许的？为保证安全操作，其允许的？为保证安全操作，其允许的工作外压又是多少？工作外压又是多少？工作外压又是多少？工作外压又是多少？本讲稿第二十一页，共三十七页二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1.1.算图的由来算图的由来算图的由来算图的由来n n若若若若将将将将失失失失稳稳稳稳时时时时的的的的环环环环向向向向应应应应变变
28、变变与与与与允允允允许许许许工工工工作作作作外外外外压压压压的的的的关关关关系系系系曲曲曲曲线线线线找找找找出出出出来来来来，那那那那么么么么就就就就可可可可能能能能通通通通过过过过失失失失稳稳稳稳时时时时的的的的环环环环向向向向应应应应变变变变 为为为为媒媒媒媒介介介介，将将将将圆圆圆圆筒筒筒筒的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸（DD0 0、SeSe、L L）与与与与允允允允许许许许工工工工作作作作外压直接通过曲线图联系起来。外压直接通过曲线图联系起来。外压直接通过曲线图联系起来。外压直接通过曲线图联系起来。令令对于一个已知壁厚对于一个已知壁厚Se与直径与直径D0的筒体，其允许工作外压的筒体，其允许工
29、作外压p等于等于B乘以乘以Se/D0，所以要想从，所以要想从找到找到p，首先需要从，首先需要从找出找出B。于是问题就转到了如何从。于是问题就转到了如何从找出找出B。本讲稿第二十二页，共三十七页二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1.算图的由来算图的由来若以若以为横坐标，以为横坐标，以B为纵坐为纵坐标，将标，将B与与（即图中（即图中A）关系）关系用曲线表示出来。利用这组用曲线表示出来。利用这组曲线可以方便而迅速地从曲线可以方便而迅速地从找找到与之相对应的系数到与之相对应的系数B，进而，进而求出求出p。当当比较小时，比较小时，E是常数，为是常数，为直线（相当于比例极限以前
30、的直线（相当于比例极限以前的变形情况）。当变形情况）。当较大时（相较大时（相当于超过比较极限以后的变当于超过比较极限以后的变形情况），形情况），E值有很大的降值有很大的降低，而且不再是一个常数，低，而且不再是一个常数，为曲线。为曲线。【说明说明】不同的材料有不同的比例极限和不同的材料有不同的比例极限和屈服点，所以有一系列的屈服点，所以有一系列的AB图。图。本讲稿第二十三页，共三十七页二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n2.2.外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法n n 对对对对DD0 0/Se20/S
31、e20（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子n n 假设假设假设假设SnSn，令，令，令，令Se=Sn-CSe=Sn-C，而后定出比值，而后定出比值，而后定出比值，而后定出比值L/DL/D0 0和和和和DD0 0/Se/Se；n n 在图在图在图在图11113 3的左方找到的左方找到的左方找到的左方找到L/DL/D0 0值，过此点沿水平方向右移值，过此点沿水平方向右移值，过此点沿水平方向右移值，过此点沿水平方向右移与与与与DD0 0/Se/Se线相交（遇中间值用内插法），若线相交（遇中间值用内插法），若线相交（遇中间值用内插法），若线相交（遇中间值用内
32、插法），若L/DL/D0 05050，则，则，则，则用用用用L/DL/D0 0=50=50查图，若查图，若查图，若查图，若L/D0L/D00.050.05，则用，则用，则用，则用L/DL/D0 0=0.05=0.05查图；查图；查图；查图；n n 过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数A A；本讲稿第二十四页，共三十七页二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n2.2.外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法
33、外压圆筒和管子壁厚的图算法n n 对对对对DD0 0/Se20/Se20（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子n n 根据所用材料选用图根据所用材料选用图根据所用材料选用图根据所用材料选用图11-411-411-911-9，在图下方找出由，在图下方找出由，在图下方找出由，在图下方找出由所得的系数所得的系数所得的系数所得的系数A A。n n若若若若A 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，与设计值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直
34、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平方向右移，在图的右方得到系数平方向右移，在图的右方得到系数平方向右移，在图的右方得到系数B B，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力pp：n n若若若若A A值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状
35、态，值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，则用下式计算许用外压力则用下式计算许用外压力则用下式计算许用外压力则用下式计算许用外压力pp：n n 比较比较比较比较p p与与与与pp，若，若，若，若p ppp，则需重新假设，则需重新假设，则需重新假设，则需重新假设SnSn，重复上述步骤直至，重复上述步骤直至，重复上述步骤直至，重复上述步骤直至pp大于且接近大于且接近大于且接近大于且接近于于于于p p为止。为止。为止。为止。本讲稿第二十五页，共三十七页二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n2.2.外压圆
36、筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法n n 对对对对DD0 0/Se/Se2020（厚壁）的圆筒和管子（厚壁）的圆筒和管子（厚壁）的圆筒和管子（厚壁）的圆筒和管子n n 用用用用与与与与DD0 0/Se20/Se20时时时时相相相相同同同同的的的的步步步步骤骤骤骤得得得得到到到到系系系系数数数数B B值值值值。但但但但对对对对于于于于DD0 0/Se/Se4.04.0的的的的圆圆圆圆筒筒筒筒和和和和管管管管子子子子应应应应按按按按下式计算下式计算下式计算下式计算A A值：值：值：值：n n系数系数系数系数A0.1A0.1时，取时，取时，取时，取A=0.1A=0.1。n n 用用用用所
37、得的系数所得的系数所得的系数所得的系数B B，按下式计算，按下式计算，按下式计算，按下式计算pp1 1和和和和pp2 2，并取较小者为圆筒的许用外压力，即：，并取较小者为圆筒的许用外压力，即：，并取较小者为圆筒的许用外压力，即：，并取较小者为圆筒的许用外压力，即：n n 比比比比较较较较p p与与与与p p，若若若若p ppp，则则则则需需需需重重重重新新新新假假假假设设设设SnSn，重重重重复复复复上上上上述述述述步步步步骤骤骤骤直直直直至至至至pp大大大大于于于于且且且且接接接接近近近近于于于于p p为止。为止。为止。为止。本讲稿第二十六页，共三十七页三、外压容器的试压三、外压容器的试压n
38、 n 外压容器和真空容器的试压外压容器和真空容器的试压外压容器和真空容器的试压外压容器和真空容器的试压按内压容器进行液压试验按内压容器进行液压试验按内压容器进行液压试验按内压容器进行液压试验，试验压力按下，试验压力按下，试验压力按下，试验压力按下式确定：式确定：式确定：式确定：n npT T=1.25p (MPa)=1.25p (MPa)n n式中式中式中式中p p设计外压力，设计外压力，设计外压力，设计外压力，MPaMPa。n n对于带夹套的容器应在容器的液压试验合格后再焊接夹套。夹套也需以对于带夹套的容器应在容器的液压试验合格后再焊接夹套。夹套也需以对于带夹套的容器应在容器的液压试验合格后
39、再焊接夹套。夹套也需以对于带夹套的容器应在容器的液压试验合格后再焊接夹套。夹套也需以1.25p1.25p做内压试验，必须事先校核该容器在夹套试压时稳定性是否足做内压试验，必须事先校核该容器在夹套试压时稳定性是否足做内压试验，必须事先校核该容器在夹套试压时稳定性是否足做内压试验，必须事先校核该容器在夹套试压时稳定性是否足够。如果容器在该夹套试验压力下不能满足稳定性的要求时，则应够。如果容器在该夹套试验压力下不能满足稳定性的要求时，则应够。如果容器在该夹套试验压力下不能满足稳定性的要求时，则应够。如果容器在该夹套试验压力下不能满足稳定性的要求时，则应在夹套试压的同时，使容器内保持一定的压力，以便在
40、整个试压过在夹套试压的同时，使容器内保持一定的压力，以便在整个试压过在夹套试压的同时，使容器内保持一定的压力，以便在整个试压过在夹套试压的同时，使容器内保持一定的压力，以便在整个试压过程中使筒壁的外、内压差不超过设计值。夹套容器内筒如设计压力程中使筒壁的外、内压差不超过设计值。夹套容器内筒如设计压力程中使筒壁的外、内压差不超过设计值。夹套容器内筒如设计压力程中使筒壁的外、内压差不超过设计值。夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行为正值时，
41、按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。液压试验。液压试验。液压试验。本讲稿第二十七页，共三十七页典型例题典型例题n n试试试试确确确确定定定定一一一一外外外外压压压压容容容容器器器器的的的的壁壁壁壁厚厚厚厚。已已已已知知知知设设设设计计计计外外外外压压压压力力力力p=0.2MPap=0.2MPa，内内内内径径径径Di=1800mmDi=1800mm，圆圆圆圆筒筒筒筒的的的的计计计计算算算算长长长长度度度度L=10350mmL=10350mm，设设设设计计计计温温温温度度度度250250，壁壁壁壁厚厚厚厚附附附附加加加加量量量量C=2mmC=2mm，材质材质材质材质16MnR
42、16MnR，E Et t=1.86410=1.864105 5 MPa MPa。本讲稿第二十八页，共三十七页第四节第四节 外压球壳与凸形封头的设计外压球壳与凸形封头的设计一、外压球壳和球形封头的设计一、外压球壳和球形封头的设计二、凸面受压封头的设计二、凸面受压封头的设计本讲稿第二十九页，共三十七页一、外压球壳和球形封头的设计一、外压球壳和球形封头的设计n n 假设假设假设假设S Sn n，令，令，令，令S Se e=S=Sn n-C-C，而后定出比值，而后定出比值，而后定出比值，而后定出比值R Ro o/S/Se e值；值；值；值；n n 用下式计算系数用下式计算系数用下式计算系数用下式计算系
43、数A A：n n 根据所用材料选用图根据所用材料选用图根据所用材料选用图根据所用材料选用图11-411-411-911-9，在图的下方找出由，在图的下方找出由，在图的下方找出由，在图的下方找出由所得的系数所得的系数所得的系数所得的系数A A。n n若若若若A 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，在图的右料线相交（遇中
44、间温度值用内插法），再过此交点沿水平方向右移，在图的右料线相交（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方得到系数方得到系数方得到系数B B，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力pp：n n若若若若A A值落在设计温度下材料线的左方，按下式计算许用外压力值落在设计温度下材料线的左方，按下式计算许用外压力值落在设计温度下材料线的左方，按下式计算许用外压力值落在设计温度下材料线的左方，按下式计算许用外压力pp：n n比较比较比较比较p p与与与与
45、pp，若，若，若，若p ppp，则需再假设，则需再假设，则需再假设，则需再假设SnSn，重复上述计算步骤，直至，重复上述计算步骤，直至，重复上述计算步骤，直至，重复上述计算步骤，直至pp大于且接近大于且接近大于且接近大于且接近p p时为止。时为止。时为止。时为止。本讲稿第三十页，共三十七页二、凸面受压封头的设计二、凸面受压封头的设计n n受外压（凸面受压）的无折边球形封头，椭圆形封头，碟形封头所需受外压（凸面受压）的无折边球形封头，椭圆形封头，碟形封头所需受外压（凸面受压）的无折边球形封头，椭圆形封头，碟形封头所需受外压（凸面受压）的无折边球形封头，椭圆形封头，碟形封头所需的最小壁厚，按受外压
46、球壳和球形封头图算法进行设计。的最小壁厚，按受外压球壳和球形封头图算法进行设计。的最小壁厚，按受外压球壳和球形封头图算法进行设计。的最小壁厚，按受外压球壳和球形封头图算法进行设计。n n【注意注意注意注意】计算过程中对无折边球形封头和碟形封头：计算过程中对无折边球形封头和碟形封头：计算过程中对无折边球形封头和碟形封头：计算过程中对无折边球形封头和碟形封头：R Ro o取球面部分内取球面部分内取球面部分内取球面部分内半径；椭圆形封头取半径；椭圆形封头取半径；椭圆形封头取半径；椭圆形封头取R Ro o=KD=KDo o，K K为系数，标准椭圆封头取为系数，标准椭圆封头取为系数，标准椭圆封头取为系数
47、，标准椭圆封头取K=0.9K=0.9。本讲稿第三十一页，共三十七页【例题】n n试试试试设设设设计计计计一一一一外外外外压压压压椭椭椭椭圆圆圆圆形形形形封封封封头头头头的的的的壁壁壁壁厚厚厚厚。已已已已知知知知设设设设计计计计外外外外压压压压力力力力p=0.4MPap=0.4MPa，内内内内径径径径DDi i=1800mm=1800mm，封封封封头头头头内内内内壁壁壁壁曲曲曲曲面面面面高高高高度度度度h hi i=450mm=450mm，设设设设计计计计温温温温度度度度400400，壁壁壁壁厚厚厚厚附附附附加加加加量量量量C=2mmC=2mm，材质，材质，材质，材质16MnR16MnR。本讲稿
48、第三十二页，共三十七页第五节第五节 加强圈的设计加强圈的设计一、加强圈的作用与结构一、加强圈的作用与结构二、加强圈的间距二、加强圈的间距三、加强圈尺寸设计三、加强圈尺寸设计四、加强圈与筒体间的连接四、加强圈与筒体间的连接本讲稿第三十三页，共三十七页一、加强圈的作用与结构一、加强圈的作用与结构n n1.1.加强圈的作用加强圈的作用加强圈的作用加强圈的作用n n设计外压圆筒时，在试算过程中，如果许用外压力设计外压圆筒时，在试算过程中，如果许用外压力设计外压圆筒时，在试算过程中，如果许用外压力设计外压圆筒时，在试算过程中，如果许用外压力pp小于设计外压力小于设计外压力小于设计外压力小于设计外压力p
49、p，则必须增加圆筒的壁厚或缩短圆筒的计算长度。当圆筒的直径和厚度不，则必须增加圆筒的壁厚或缩短圆筒的计算长度。当圆筒的直径和厚度不，则必须增加圆筒的壁厚或缩短圆筒的计算长度。当圆筒的直径和厚度不，则必须增加圆筒的壁厚或缩短圆筒的计算长度。当圆筒的直径和厚度不变时，减小圆筒的计算长度可以提高其临界压力，从而提高许用操作外压变时，减小圆筒的计算长度可以提高其临界压力，从而提高许用操作外压变时，减小圆筒的计算长度可以提高其临界压力，从而提高许用操作外压变时，减小圆筒的计算长度可以提高其临界压力，从而提高许用操作外压力。力。力。力。n n2.2.加强圈的结构加强圈的结构加强圈的结构加强圈的结构n n加
50、强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型钢，加强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型钢，加强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型钢，加强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型钢，因为型钢截面惯性矩较大，刚性较好。因为型钢截面惯性矩较大，刚性较好。因为型钢截面惯性矩较大，刚性较好。因为型钢截面惯性矩较大，刚性较好。本讲稿第三十四页，共三十七页二、加强圈的间距二、加强圈的间距钢制短圆筒的临界压力公式钢制短圆筒的临界压力公式圆筒的圆筒的D0、Se一定时，外压圆筒一定时，外压圆筒临界压力和允许最大工作外压随着筒体加临界压力和允许最大工作外压随着筒体加强圈间距