第9章 外压容器设计

1、 本章主要讨论的几个问题：本章主要讨论的几个问题： (1) 外压薄壁容器的厚度设计外压薄壁容器的厚度设计； (2)外压封头的厚度设计；外压封头的厚度设计； 9.1 概述概述 外压容器的概念：外压容器的概念： 外压容器通常是指操作时作用在壁外的压力大于壁内压外压容器通常是指操作时作用在壁外的压力大于壁内压 力的容器。力的容器。 外压容器失效的形式：外压容器失效的形式： 外压容器的失效的主要形式是丧失稳定性！外压容器的失效的主要形式是丧失稳定性！ 9.1 概述概述 压杆失稳的主要因素：压杆失稳的主要因素： 1、外载大小、外载大小 2、压杆柔度、压杆柔度(细长比细长比) 3、材料的力学性能。、材料的

2、力学性能。 容器失稳与压杆失稳类似，取决于：容器失稳与压杆失稳类似，取决于： 1、圆筒外径与有效壁厚之比、圆筒外径与有效壁厚之比 Do/e； 2、圆筒长度与外径的比值、圆筒长度与外径的比值 L/Do 3、材料的力学性能、材料的力学性能 （E， ) 9.1 概述概述 9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计外压薄壁圆筒的厚度设计 受外压的圆筒受外压的圆筒, 有的仅横向均匀受压有的仅横向均匀受压, 有的则横向和轴向同时均匀受压有的则横向和轴向同时均匀受压, 但失稳破坏总是在横断面内发生但失稳破坏总是在横断面内发生, 也即失稳破坏主要为环向应力及其变也即失稳破坏主要为环向应力及其变 形所控制。因此本章主要讨论

3、薄壁圆筒在横向受均布外压时的厚度设形所控制。因此本章主要讨论薄壁圆筒在横向受均布外压时的厚度设 计计算方法。计计算方法。 计算外压圆筒的厚度时计算外压圆筒的厚度时, 一般要先假定一个名义厚度一般要先假定一个名义厚度n (已圆整至钢板已圆整至钢板 厚度规格厚度规格) , 经反复计算校核后才能完成经反复计算校核后才能完成, 工程设计也常常采用算图来简工程设计也常常采用算图来简 化计算过程化计算过程, 下面分别介绍解析法和图算法。下面分别介绍解析法和图算法。 一、横向受压圆筒的稳定性计算一、横向受压圆筒的稳定性计算 1、解析法、解析法 a 计算公式计算公式 cr p pp = m m 为稳定系数为稳

4、定系数, 类似于强度计算中的安全系数。类似于强度计算中的安全系数。 9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计外压薄壁圆筒的厚度设计 (1) 长圆筒长圆筒 3 e o 3 no2 2.2E p = mD mp DC 2.2E 或或 (2)短圆筒短圆筒 2 e o o e 0.4 no2 o 2.59E p = D mLD mpL DC 2.59ED 或或 9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计外压薄壁圆筒的厚度设计 b 临界长度临界长度 o cro e D L1.17D 当圆筒计算长度当圆筒计算长度LLcr 时时, 应按式应按式(15-2)或式或式(15-3)计算。计算。 当圆筒计算长度当圆筒计算长度L 0 .5

5、% DN( DN 为筒体的公称直径为筒体的公称直径) , 且大于且大于25mm 时时, 其初其初 始椭圆度会降低圆筒的临界压力值始椭圆度会降低圆筒的临界压力值, 就不能再用就不能再用m = 3 作计算。作计算。 9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计外压薄壁圆筒的厚度设计 d 计算步骤计算步骤 (1)首先假设首先假设n (常取大于或等于强度计算所得的名义厚度常取大于或等于强度计算所得的名义厚度) , 而而e =n - C。 (2) 以以e 代入式代入式(15-6) , 求求Lcr 。 (3) 比较比较L 与与Lcr , 确定计算公式确定计算公式, 计算计算p 。 (4) 比较比较p和和p , 若若p

6、st时时, 属非弹性失稳属非弹性失稳, 应改用下列近似公式计算：应改用下列近似公式计算： t es cr2 t s e 2 p D D 1 E 9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计外压薄壁圆筒的厚度设计 2、图算法、图算法 应用算图进行外压圆筒设计的方法和步骤应用算图进行外压圆筒设计的方法和步骤: a (Do/e)20 的圆筒与管子的圆筒与管子 b (Do/e) 20 的圆筒和管子的圆筒和管子 见教材见教材P307 2 BE 3 注注意意：只只适适用用于于性性形形段段弹弹变变阶阶 9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计外压薄壁圆筒的厚度设计 二、轴向受压圆筒的稳定性计算二、轴向受压圆筒的稳定性计算 仅轴向受

7、压的圆筒仅轴向受压的圆筒, 在弹性段内的稳定许用应力在弹性段内的稳定许用应力, 在工程设计中可用下在工程设计中可用下 列公式计算列公式计算: cree cr ii E1 0.180.06E mmRR Ri 圆筒的内半径圆筒的内半径, mm。 在弹性与塑性转折段在弹性与塑性转折段, 也可应用也可应用B-A算图算图, 对于轴向受压缩圆筒规定对于轴向受压缩圆筒规定: B = cr , 代入式代入式(15-12 ), 则有：则有： e i e i 2 BEA0.06E 3R A0.09 R 9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计外压薄壁圆筒的厚度设计 求解求解cr 的步骤与上述近似的步骤与上述近似: 初定圆筒

8、厚度初定圆筒厚度n, 计算计算e =n - C及及Ri/e , 并用以代入式并用以代入式(15-13)求求A。然。然 后根据材料选择相应的后根据材料选择相应的B-A 图图(图图15-5图图15-7)由由A 查得查得B 值即为值即为cr , 若在材料曲线的左方若在材料曲线的左方,则可按式则可按式(15-12)直接求直接求cr 。 9.3 外压凸形封头的厚度设计外压凸形封头的厚度设计 一、凸形封头与球壳在弹性段内的许用外压力可按下式计算：一、凸形封头与球壳在弹性段内的许用外压力可按下式计算： cr 2 oe p0.0833E p = m R m稳定系数稳定系数, 对于凸形封头和球壳对于凸形封头和球

9、壳, 有关标准规定有关标准规定m = 15 ; Ro 凸形封头球面部分外半径凸形封头球面部分外半径, mm。 9.3 外压凸形封头的厚度设计外压凸形封头的厚度设计 二、在弹性和塑性转折段二、在弹性和塑性转折段, 则可应用则可应用B-A 算图。算图。 A 半球形封头半球形封头(球壳球壳) B 椭圆形封头椭圆形封头 C 碟形封头碟形封头 D 无折边球形封头无折边球形封头 9.4 外压锥形筒体和封头的厚度设计外压锥形筒体和封头的厚度设计 锥体厚度可按承受外压的圆筒体厚度的确定方法进行计算锥体厚度可按承受外压的圆筒体厚度的确定方法进行计算, 但需以锥体但需以锥体 的有效厚度的有效厚度nc 来取代圆筒体

10、的有效厚度来取代圆筒体的有效厚度e ecnc =C cos 再以锥体的当量长度再以锥体的当量长度Le (图图15-9) 作为计算长度作为计算长度, 并以并以Le/DL代替代替L/Do , DL/ ec 代替代替Do/e , 然后按上述算图进行计算。然后按上述算图进行计算。 无折边锥壳或锥壳上相邻两加强圈之间锥壳段无折边锥壳或锥壳上相邻两加强圈之间锥壳段(图图15-9(a) 和和(d)的当量的当量 长度为长度为: xs e L LD L =1 2D 大端折边锥壳大端折边锥壳(图图15-9 (b) 的当量长度为的当量长度为: xs e L LD L =r sin1 2D 折边锥壳折边锥壳(图图15-9 (c) 、小端折边锥壳的当量长度计算方法以及锥壳大、小端折边锥壳的当量