第5章外压圆筒设计

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1、第第5 5章章 外外压压圆圆筒与筒与封封头的头的设计设计一、外压容器一、外压容器失稳失稳外压容器：外压容器：容器外部压力大于内部压力。容器外部压力大于内部压力。石油分馏中的石油分馏中的减压减压蒸馏塔、蒸馏塔、多效蒸发中的多效蒸发中的真空真空冷凝器、冷凝器、带有蒸汽加热带有蒸汽加热夹套夹套的反应釜的反应釜 真空干燥、真空结晶设备等。真空干燥、真空结晶设备等。失稳的失稳的概念概念：容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是压应力压应力。也会发生强度破坏。也会发生强度破坏。容器容器强度足够强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被却突然失去了原有的形状，筒壁被压

2、瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变一瞬间变成成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称原有形状的现象称弹性失稳弹性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效造成容器失效。失稳现象的失稳现象的实质实质：外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在失稳时，产生了失稳时，产生了以弯曲应力为主的附以弯曲应力为主的附加应力加应力。外压容器的失稳，实际上是外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内容器筒壁内的应力状态由单纯的的应力状态由单纯的压

3、应力压应力平衡平衡跃变跃变为为受弯曲应力受弯曲应力的新平衡的新平衡。 二、容器二、容器失稳形式失稳形式侧侧向失稳向失稳v由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。v壳体壳体横断面横断面由原来的圆形被压瘪而呈现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、波形，其波形数可以等于两个、三个、四个四个。轴向失稳轴向失稳 v薄壁圆筒承受薄壁圆筒承受轴向外压轴向外压，当载荷达到某一数值时，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。也会丧失稳定性。v失稳，仍具有圆环截面，失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直线性，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形母线产生了波形，即

4、圆，即圆筒发生了筒发生了褶绉褶绉。 局部局部失稳失稳在在支座或其他支承处以支座或其他支承处以及及在安装运输中由于过大的局在安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。部外压也可能引起局部失稳。三、三、临界压力临界压力计算计算临界压力：导致筒体失稳的外压，临界压力：导致筒体失稳的外压，P Pcr cr临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以内的环向压缩应力，以s scr cr表示。表示。外压低于外压低于P Pcr cr，变形在压力卸除后能恢复，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生其原先形状，即发生弹性变形弹性变形。达到或高于达到或高于P

5、 Pcr cr时，产生的时，产生的曲波形曲波形将是不将是不可能恢复的。可能恢复的。临界压力与哪些临界压力与哪些因素因素有关？有关？失稳是失稳是固有性质固有性质，不是不是由于圆筒不圆或由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。是材料不均或其它原因所导致。每一每一具体的外压圆筒具体的外压圆筒结构，都客观上结构，都客观上对对应着一个固有应着一个固有的临界压力值。的临界压力值。临界压力的大小与筒体临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质几何尺寸、材质及结构因素及结构因素有关。有关。根据失稳情况将外压圆筒分为三类：根据失稳情况将外压圆筒分为三类：长长圆筒：刚性封头对筒体圆筒：刚性封头对筒体中部中部变形不起有变

6、形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹数效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹数n=2n=2的扁圆形。的扁圆形。短短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏失稳破坏波数波数n2n2，出现三波、四波等的，出现三波、四波等的曲形波。曲形波。刚刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L L/ /D D0 0较小，较小，d de e/ /D D0 0较大，容器的刚性好，较大，容器的刚性好，不不会因失稳而破坏会因失稳而破坏。 长圆筒长圆筒 式中式中 P Pcr cr- -临界压力，临界压力， MPaMPa； d de e- -筒体的筒体的有效

7、厚度有效厚度， mmmm； D D0 0- -筒体的筒体的外外直径，直径， mmmmE Et t- -操作温度下操作温度下圆筒材料圆筒材料的弹性模量，的弹性模量， MPaMPa m m- -材料的材料的泊松比泊松比。长圆筒的长圆筒的临界压力临界压力计算公式：计算公式：3202()1tecrEpDdmniDDd20v分析：分析： 长圆筒的临界压力长圆筒的临界压力仅与仅与圆筒的相对圆筒的相对厚度厚度d de e/ /D D0 0有关，而与圆筒的相对长度有关，而与圆筒的相对长度L L/ /D D0 0无无关关。对于钢制圆筒，对于钢制圆筒，m m=0.3, =0.3, 则则 30)(20. 2DEpe

8、tcrd302)(12DEpecrdm 短圆筒短圆筒短圆筒的短圆筒的临界压力临界压力计算公式为：计算公式为： 短圆筒短圆筒临界压力与相对厚度临界压力与相对厚度d de e/ /D D0 0有关，有关，也随相对长度也随相对长度L L/ /D D0 0变化。变化。 L L/ /D D0 0越大，越大，封头的约束作用越小封头的约束作用越小，临界压，临界压力越低。力越低。2.500(/)2.59( /)tecrDpEL Dd L L为筒体为筒体计算长度计算长度，指两相邻加强指两相邻加强圈的间距；圈的间距；对与封头相连接对与封头相连接的那段筒体而的那段筒体而言，应言，应计入计入凸凸形封头中的形封头中的1

9、/31/3的凸面高度。的凸面高度。)/()/(59. 205 . 20DLDEpecrd临界压力计算临界压力计算公式使用范围公式使用范围：临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则圆形临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则圆形及材料均匀的情况下得到的。及材料均匀的情况下得到的。v实际筒体都存在一定的圆度，不可能是绝对实际筒体都存在一定的圆度，不可能是绝对圆的，圆的，实际实际筒体临界压力将筒体临界压力将低于低于计算值。计算值。v但即使壳体形状很精确和材料很均匀，当外但即使壳体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，只不过是压力达到一定数值时，也会失稳，只不过是壳体的圆度与材料的不均匀性

10、能使其临界压壳体的圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。力的数值降低，使失稳提前发生。 刚性筒刚性筒 刚性筒是刚性筒是强度破坏强度破坏，计算时只要，计算时只要满足强度要求即可，其强度满足强度要求即可，其强度校核校核公式与内压圆筒相同公式与内压圆筒相同。 22CppDtidsd 临界长度临界长度实际外压圆筒是实际外压圆筒是长长圆筒还是圆筒还是短短圆筒，圆筒，可可根据临界长度根据临界长度L Lcr cr来判定。来判定。 当圆筒处于临界长度当圆筒处于临界长度L Lcr cr时，时，长长圆筒圆筒公式计算临界压力公式计算临界压力P Pcr cr值和值和短短圆筒公圆筒公式计算临界压

11、力式计算临界压力P Pcr cr值应值应相等相等)/()/(59. 2)(20. 205 . 2030DLDEDEeedd得：得：v 当筒长度当筒长度L LL Lcr cr，P Pcr cr按按长长圆筒圆筒 v 当筒长度当筒长度LLL Lcr cr时，时，P Pcr cr按按短短圆筒圆筒公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定的一定的不圆度不圆度，公式的使用范围公式的使用范围必须要求限必须要求限制筒体的制筒体的圆度圆度e e。ecrDDLd0017. 1四、外压圆筒的四、外压圆筒的设计设计 算法概述算法概述 外压圆筒计算常遇到两类问题：外压圆筒计算常遇到两类问题