压杆稳定与外压容器.doc

第12章 压杆稳定与外压容器 本章重点讲解内容： （1）建立清晰的稳定、压杆稳定和外压圆筒稳定的概念； （2）掌握长圆筒、短圆筒的概念及其相应的临界压力计算公式，会利用临界长度计算公式判断圆筒属于长圆筒或短圆筒； （3）掌握外压圆筒及封头稳定性的计算方法和步骤，理解材料性能曲线在外压计算中的应用以及B—A曲线的由来； （4）正确理解提高外压容器承压能力的措施，熟悉加强圈的设计过程、加强圈最小截面惯性矩和实际惯性矩的计算。 （5）理解压杆稳定的实用计算、掌握欧拉公式及其适用范围、惯性半径和柔度系数概念。 第一节 稳定的概念与实例 1、稳定现象（buckling phenomenon） 稳定就是针对平衡而言，平衡状态主要有稳定平衡和不稳定平衡。 （1）稳定平衡 当物体受到外力的短时干扰，在其平衡位置附近作无限小的偏离后，物体仍能够回到它的原来的位置，如图1（a）所示。 图（1）稳定平衡与不稳定平衡 （2）不稳定平衡 当物体受到外力的短时干扰，在其平衡位置附近作无限小的偏离后，物体不能恢复到其原来位置，如图1（b）所示。 2、稳定的概念与实例 （1）压杆 ① 拉杆在其原有直线形状下的平衡是稳定的。其受力如图2所示。 ② 压杆根据轴向压力的大小不同，可以分为两种情况（如图3所示）： 当轴向压力小于临界压力时，压杆的平衡是稳定的； 当轴向压力大于临界压力时，压杆的平衡是不稳定的； 使压杆在原有直线形状下的稳定平衡过渡到不稳定平衡的压力称为压杆的临界压力。临界压力的大小取决于材料的力学性能，杆件的几何尺寸以及杆件两端的支撑情况。对压杆稳定性的研究，就是确定其临界压力，控制压杆的工作载荷，确保不失稳。 图2 拉杆不失稳 图3 压杆可能失稳 （2）外压容器（external pressure vessels） ① 外压容器概念 化工生产过程中的承受外部压力的容器。 1、真空操作的精馏塔； 2、真空操作的蒸发器，夹套式蒸发器； 3、夹套式反应器(在夹套内通入加热蒸汽或通入冷却介质，其压力高于反应操作压力）； 4、其他真空操作的设备； ② 失效形式 受外压力作用的容器及设备，其失效形式有三种： 强度不足引起的失效：遵循弹性失效准则、塑性失效准则、爆破失效准则的规律。 刚度不足而引起的失效：将产生过大的变形。 稳定不足引起的失效：称作失稳。它将从一个平衡状态跃变到另外一个平衡状态。 ③ 外压容器的失稳现象（buckling phenomenon of external pressure vessels） 对于承受外压的容器，只要容器器壁具有足够的厚度，强度设计和内压容器设计的方法相同，唯一不同的是应力的方向相反。在内压容器设计中，把力的作用方向确定为外法线方向为正，承受外压力时，P为负值。 而当薄壁容器受外压，往往在强度很富裕的情况下，却突然失去容器原有形状，把这一现象称作失稳现象。 ● 外压容器失稳的实质，是容器由一种平衡状态跃变到另一种平衡状态。 ● 外压容器的失稳是它的固有特性，和其它构件（例如：压杆）失稳一样是独立于强度以外的问题，更不能误判为是由于刚度不足而引起的。 ● 使外压容器从在原有直线形状下的稳定平衡状态过渡到不稳定平衡状态的压力就是该外压容器的临界压力，以表示。而筒体在临界压力作用下，筒壁内产生的环向压缩应力称为临界应力，以表示。 ●外压筒体失稳时，圆筒壳由圆形可能跃变成两个波，三个波，四个波……n＝正整数的波形（如图4所示）。 图4 外压圆筒失稳时的形状 （3）外压容器的设计压力 设计压力P设：(正常工作过程中可能产生的最大内外压差。 真空容器：有安全装置，取（1.25(Pmax，0.1MPa）中的较小值；无有安全装置，取0.1MPa 夹套容器：内部真空，真空容器设计压力＋夹套设计压力；应考虑容器可能出现的最大压差的危险工况。如内筒泄漏、夹套液压试验等工况 第二节 外压圆筒环向稳定计算 1、 临界压力的计算（calculation of critical pressure） (1) 长圆筒（long cylinder） ①定义：筒端的两个封头或其他刚性构件（如：加强圈）不能对整个筒体起加强作用。筒体对两端的刚性构件较远部分只能依靠自身来保持其形状，当它承受径向外压时，壳体有向内变形的趋势，容易被压扁。变形时，波数n＝2。 ② 临界压力计算 ， 称为勃莱斯公式 （1） --outside diameter of cylinder，㎜； E—modulus of elasticity。 -- effective thickness of cylinder，㎜。 从公式（1）可知：长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒