外压容器稳定性分析与设计.pdf
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1、1 外压容器稳定性分析与设计外压容器稳定性分析与设计外压容器稳定性分析与设计外压容器稳定性分析与设计外压容器稳定性分析与设计外压容器稳定性分析与设计外压容器稳定性分析与设计外压容器稳定性分析与设计 2002002002002002002002007 7 7 7 7 7 7 7年年年年年年年年7 7 7 7 7 7 7 7月月月月月月月月 武汉工程大学化工设备设计研究所武汉工程大学化工设备设计研究所武汉工程大学化工设备设计研究所武汉工程大学化工设备设计研究所武汉工程大学化工设备设计研究所武汉工程大学化工设备设计研究所武汉工程大学化工设备设计研究所武汉工程大学化工设备设计研究所 2 本次课程主要内
2、容本次课程主要内容本次课程主要内容本次课程主要内容 1 1 1 1、外压容器概念、外压容器概念、外压容器概念、外压容器概念 2 2 2 2、失效形式、失效形式、失效形式、失效形式 3 3 3 3、外压圆筒的设计、外压圆筒的设计、外压圆筒的设计、外压圆筒的设计 4 4 4 4、图算法原理、图算法原理、图算法原理、图算法原理 3 外压容器外压容器外压容器外压容器概念概念概念概念 1 1 1 1 1 1 1 1、外压容器、外压容器、外压容器、外压容器、外压容器、外压容器、外压容器、外压容器 器壁的外部压力大于内部压力器壁的外部压力大于内部压力器壁的外部压力大于内部压力器壁的外部压力大于内部压力器壁的
3、外部压力大于内部压力器壁的外部压力大于内部压力器壁的外部压力大于内部压力器壁的外部压力大于内部压力, , , , , , , ,如真空贮如真空贮如真空贮如真空贮如真空贮如真空贮如真空贮如真空贮 槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜 2 2 2 2 2 2 2 2、外压容器的失效形式、外压容器的失效形式、外压容器的失效形式、外压容器的失效形式、外压容器的失效形式、
4、外压容器的失效形式、外压容器的失效形式、外压容器的失效形式 一种是因强度不足而导致破坏一种是因强度不足而导致破坏一种是因强度不足而导致破坏一种是因强度不足而导致破坏一种是因强度不足而导致破坏一种是因强度不足而导致破坏一种是因强度不足而导致破坏一种是因强度不足而导致破坏 发生失稳现象发生失稳现象发生失稳现象发生失稳现象发生失稳现象发生失稳现象发生失稳现象发生失稳现象 3 3 3 3 3 3 3 3、外压容器的失稳、外压容器的失稳、外压容器的失稳、外压容器的失稳、外压容器的失稳、外压容器的失稳、外压容器的失稳、外压容器的失稳 当容器所受的外压达到某极限值时,横断当容器所受的外压达到某极限值时,横断
5、当容器所受的外压达到某极限值时,横断当容器所受的外压达到某极限值时,横断当容器所受的外压达到某极限值时,横断当容器所受的外压达到某极限值时,横断当容器所受的外压达到某极限值时,横断当容器所受的外压达到某极限值时,横断 面会突然失去原形,被压扁或出现波纹。面会突然失去原形,被压扁或出现波纹。面会突然失去原形,被压扁或出现波纹。面会突然失去原形,被压扁或出现波纹。面会突然失去原形,被压扁或出现波纹。面会突然失去原形,被压扁或出现波纹。面会突然失去原形,被压扁或出现波纹。面会突然失去原形,被压扁或出现波纹。 4 1 1 1 1、外压容器外压容器外压容器外压容器外压容器外压容器外压容器外压容器 外压容
6、器的设计外压容器的设计外压容器的设计外压容器的设计外压容器的设计外压容器的设计外压容器的设计外压容器的设计 强度计算和稳定性校核两方面强度计算和稳定性校核两方面强度计算和稳定性校核两方面强度计算和稳定性校核两方面强度计算和稳定性校核两方面强度计算和稳定性校核两方面强度计算和稳定性校核两方面强度计算和稳定性校核两方面 外压容器强度计算的公式与内压容器相同,外压容器强度计算的公式与内压容器相同,外压容器强度计算的公式与内压容器相同,外压容器强度计算的公式与内压容器相同,外压容器强度计算的公式与内压容器相同,外压容器强度计算的公式与内压容器相同,外压容器强度计算的公式与内压容器相同,外压容器强度计算
7、的公式与内压容器相同, 只是应力的符号相反,即压力在器壁中产生只是应力的符号相反,即压力在器壁中产生只是应力的符号相反,即压力在器壁中产生只是应力的符号相反,即压力在器壁中产生只是应力的符号相反,即压力在器壁中产生只是应力的符号相反,即压力在器壁中产生只是应力的符号相反,即压力在器壁中产生只是应力的符号相反,即压力在器壁中产生 压应力压应力压应力压应力压应力压应力压应力压应力 临界压力临界压力临界压力临界压力临界压力临界压力临界压力临界压力 外压容器发生失稳时的最低外压力,称为外压容器发生失稳时的最低外压力,称为外压容器发生失稳时的最低外压力,称为外压容器发生失稳时的最低外压力,称为外压容器发
8、生失稳时的最低外压力,称为外压容器发生失稳时的最低外压力,称为外压容器发生失稳时的最低外压力,称为外压容器发生失稳时的最低外压力,称为 临界压力。临界压力。临界压力。临界压力。临界压力。临界压力。临界压力。临界压力。 其值越大,表明容器抗失稳能力越强。其值越大,表明容器抗失稳能力越强。其值越大,表明容器抗失稳能力越强。其值越大,表明容器抗失稳能力越强。其值越大,表明容器抗失稳能力越强。其值越大,表明容器抗失稳能力越强。其值越大,表明容器抗失稳能力越强。其值越大,表明容器抗失稳能力越强。 cr p cr p L DD E 5 外压圆筒的失稳形态外压圆筒的失稳形态外压圆筒的失稳形态外压圆筒的失稳形
9、态 稳定性问题不仅仅限于外压容器,内压容器稳定性问题不仅仅限于外压容器,内压容器稳定性问题不仅仅限于外压容器,内压容器稳定性问题不仅仅限于外压容器,内压容器稳定性问题不仅仅限于外压容器,内压容器稳定性问题不仅仅限于外压容器,内压容器稳定性问题不仅仅限于外压容器,内压容器稳定性问题不仅仅限于外压容器,内压容器 有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和风弯有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和风弯有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和风弯有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和风弯有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和风弯有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和风弯有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和
10、风弯有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和风弯 矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部 压应力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍压应力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍压应力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍压应力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍压应力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍压应
11、力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍压应力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍压应力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍 座处等,均有稳定性问题存在。座处等,均有稳定性问题存在。座处等,均有稳定性问题存在。座处等,均有稳定性问题存在。座处等,均有稳定性问题存在。座处等,均有稳定性问题存在。座处等,均有稳定性问题存在。座处等,均有稳定性问题存在。 6 外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类 当圆筒的长度与直径之比较大时,其中间部分当圆筒的长度与直径之比较大时,其中间部分当圆筒的长度与直径之比较大时,其中间部分当圆筒的长度
12、与直径之比较大时,其中间部分当圆筒的长度与直径之比较大时,其中间部分当圆筒的长度与直径之比较大时,其中间部分当圆筒的长度与直径之比较大时,其中间部分当圆筒的长度与直径之比较大时,其中间部分 将不受两端封头或加强圈的支持作用,弹性失稳将不受两端封头或加强圈的支持作用,弹性失稳将不受两端封头或加强圈的支持作用,弹性失稳将不受两端封头或加强圈的支持作用,弹性失稳将不受两端封头或加强圈的支持作用,弹性失稳将不受两端封头或加强圈的支持作用,弹性失稳将不受两端封头或加强圈的支持作用,弹性失稳将不受两端封头或加强圈的支持作用,弹性失稳 时形成时形成时形成时形成时形成时形成时形成时形成n n n n n n
13、n n2 2 2 2 2 2 2 2的波数。的波数。的波数。的波数。的波数。的波数。的波数。的波数。 长圆筒的临界压力与长圆筒的临界压力与长圆筒的临界压力与长圆筒的临界压力与长圆筒的临界压力与长圆筒的临界压力与长圆筒的临界压力与长圆筒的临界压力与 无关,仅与圆筒壁厚与直无关,仅与圆筒壁厚与直无关,仅与圆筒壁厚与直无关,仅与圆筒壁厚与直无关,仅与圆筒壁厚与直无关,仅与圆筒壁厚与直无关,仅与圆筒壁厚与直无关,仅与圆筒壁厚与直 径的比值径的比值径的比值径的比值径的比值径的比值径的比值径的比值 有关有关有关有关有关有关有关有关 长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒 短圆筒短圆筒短圆筒短圆筒
14、短圆筒短圆筒短圆筒短圆筒失稳时的波数 失稳时的波数失稳时的波数失稳时的波数失稳时的波数失稳时的波数失稳时的波数失稳时的波数n n n n n n n n大于大于大于大于大于大于大于大于2 2 2 2 2 2 2 2 与与与与与与与与 均有关均有关均有关均有关均有关均有关均有关均有关 L cr D p D L D L D D 7 外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类外压圆筒的分类 值较小,值较小,值较小,值较小,值较小,值较小,值较小,值较小, 值较大,值较大,值较大,值较大,值较大,值较大,值较大,值较大, 其破坏不是因丧失稳定其破
15、坏不是因丧失稳定其破坏不是因丧失稳定其破坏不是因丧失稳定其破坏不是因丧失稳定其破坏不是因丧失稳定其破坏不是因丧失稳定其破坏不是因丧失稳定 而引起,是因为强度不足而产生破坏。而引起,是因为强度不足而产生破坏。而引起,是因为强度不足而产生破坏。而引起,是因为强度不足而产生破坏。而引起,是因为强度不足而产生破坏。而引起,是因为强度不足而产生破坏。而引起,是因为强度不足而产生破坏。而引起,是因为强度不足而产生破坏。 由于圆筒壁内的压应力超过材料屈服极限而丧失由于圆筒壁内的压应力超过材料屈服极限而丧失由于圆筒壁内的压应力超过材料屈服极限而丧失由于圆筒壁内的压应力超过材料屈服极限而丧失由于圆筒壁内的压应力
16、超过材料屈服极限而丧失由于圆筒壁内的压应力超过材料屈服极限而丧失由于圆筒壁内的压应力超过材料屈服极限而丧失由于圆筒壁内的压应力超过材料屈服极限而丧失 稳定稳定稳定稳定稳定稳定稳定稳定 与长度无关与长度无关与长度无关与长度无关与长度无关与长度无关与长度无关与长度无关 刚性刚性刚性刚性刚性刚性刚性刚性圆筒圆筒圆筒圆筒圆筒圆筒圆筒圆筒 L DD 1 20D 薄壁外压圆筒薄壁外压圆筒薄壁外压圆筒薄壁外压圆筒薄壁外压圆筒薄壁外压圆筒薄壁外压圆筒薄壁外压圆筒 失稳时器壁应力低于材料屈服失稳时器壁应力低于材料屈服失稳时器壁应力低于材料屈服失稳时器壁应力低于材料屈服失稳时器壁应力低于材料屈服失稳时器壁应力低于
17、材料屈服失稳时器壁应力低于材料屈服失稳时器壁应力低于材料屈服 极限极限极限极限极限极限极限极限 称为弹性失稳称为弹性失稳称为弹性失稳称为弹性失稳称为弹性失稳称为弹性失稳称为弹性失稳称为弹性失稳 失稳时器壁应力高于材料屈服失稳时器壁应力高于材料屈服失稳时器壁应力高于材料屈服失稳时器壁应力高于材料屈服失稳时器壁应力高于材料屈服失稳时器壁应力高于材料屈服失稳时器壁应力高于材料屈服失稳时器壁应力高于材料屈服 极限极限极限极限极限极限极限极限 称为塑性失稳称为塑性失稳称为塑性失稳称为塑性失稳称为塑性失稳称为塑性失稳称为塑性失稳称为塑性失稳 8 圆筒的厚度计算圆筒的厚度计算圆筒的厚度计算圆筒的厚度计算圆筒
18、的厚度计算圆筒的厚度计算圆筒的厚度计算圆筒的厚度计算 临界长度临界长度临界长度临界长度临界长度临界长度临界长度临界长度 cr L cr LL 长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒 cr LL 重新假设圆筒厚度重新假设圆筒厚度重新假设圆筒厚度重新假设圆筒厚度重新假设圆筒厚度重新假设圆筒厚度重新假设圆筒厚度重新假设圆筒厚度 10 图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理 K K K K为表征长、短圆筒的特征系数,与为表征长、短圆筒的特征系数,与为表征长、短圆筒的特征系数,与为表征长、短圆筒的特征系数,与 、 有关有关有关有关 长圆筒长圆筒长圆筒长
19、圆筒K=2.2 K=2.2 K=2.2 K=2.2 短圆筒按图表查出短圆筒按图表查出短圆筒按图表查出短圆筒按图表查出. . . . 用理论公式计算临界压力比较复杂用理论公式计算临界压力比较复杂用理论公式计算临界压力比较复杂用理论公式计算临界压力比较复杂用理论公式计算临界压力比较复杂用理论公式计算临界压力比较复杂用理论公式计算临界压力比较复杂用理论公式计算临界压力比较复杂. . . . . . . .为了避免在求解析解为了避免在求解析解为了避免在求解析解为了避免在求解析解为了避免在求解析解为了避免在求解析解为了避免在求解析解为了避免在求解析解 先判断长、短圆筒并加以验证,在计算时只能用近似公式先
20、判断长、短圆筒并加以验证,在计算时只能用近似公式先判断长、短圆筒并加以验证,在计算时只能用近似公式先判断长、短圆筒并加以验证,在计算时只能用近似公式先判断长、短圆筒并加以验证,在计算时只能用近似公式先判断长、短圆筒并加以验证,在计算时只能用近似公式先判断长、短圆筒并加以验证,在计算时只能用近似公式先判断长、短圆筒并加以验证,在计算时只能用近似公式 进行计算。工程上为了计算简便进行计算。工程上为了计算简便进行计算。工程上为了计算简便进行计算。工程上为了计算简便进行计算。工程上为了计算简便进行计算。工程上为了计算简便进行计算。工程上为了计算简便进行计算。工程上为了计算简便, , , , , , ,
21、 ,采用图算法采用图算法采用图算法采用图算法采用图算法采用图算法采用图算法采用图算法. . . . . . . . 3 cr o () e pkE D =0 L D0 D 2 cro cr o () 22 e e p D E D k = 临界压力用以引起圆筒器壁周向压缩应力临界压力用以引起圆筒器壁周向压缩应力临界压力用以引起圆筒器壁周向压缩应力临界压力用以引起圆筒器壁周向压缩应力 2 cr o () 2 e ED k = 除以除以除以除以E E E E cr cr A E = 外压圆筒的几何参数计算图外压圆筒的几何参数计算图外压圆筒的几何参数计算图外压圆筒的几何参数计算图 11 对任何材料对任
22、何材料对任何材料对任何材料对任何材料对任何材料对任何材料对任何材料 都适用都适用都适用都适用都适用都适用都适用都适用 0 L D 0 D 外压圆筒的外压圆筒的外压圆筒的外压圆筒的外压圆筒的外压圆筒的外压圆筒的外压圆筒的 几何参数计几何参数计几何参数计几何参数计几何参数计几何参数计几何参数计几何参数计 算图算图算图算图算图算图算图算图 长圆筒与长圆筒与长圆筒与长圆筒与长圆筒与长圆筒与长圆筒与长圆筒与L/DL/DL/DL/DL/DL/DL/DL/D无关无关无关无关无关无关无关无关 短圆筒短圆筒短圆筒短圆筒短圆筒短圆筒短圆筒短圆筒 12 图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图
23、算法原理图算法原理 2 cro cr o () 22 e e p D E D k = 变换变换变换变换 3 o () cr1 3 e pkE D p m = 22 o oo ()() 1 31.5 2 ee e D pkE DD kE = 2 o o () 1.5 1 31.5 ecrcr e D pkEB DE E = cr cr A E = 2 3 BEA= o e D Bp = 3 cr o () e pkE D = 13 图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理图算法原理 2 3 BEA= AB 利用材料单向拉伸应利用材料单向拉伸应利用材料单向拉伸应利用材
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- 容器 稳定性 分析 设计
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