1.2 薄壁容器外压失稳实验
薄壁圆筒外压失稳实验
薄壁圆筒外压失稳实验一、实验目的1.观察外压容器的失稳破坏现象及破坏后的形态。
2.验证外压筒体试件失稳时临界压力的理论计算式。
二、实验装置基本配置表一、实验装置基本配置表：图一、薄壁圆筒外压失稳实验装置三、实验原理薄壁容器在受外压作用时，往往在器壁内的应力还未达到材料的屈服极限，而在外压达到某一数值时，壳体会突然推动原来形状而出现褶皱，这种现象称为失稳，失稳时的压力称为临界压力，以P cr [MPa]表示。
它与材料的弹性性能(弹性模数E 和泊桑比μ)、几何尺寸(简体直径D 、壁厚S O 和筒体计算长度L)有关。
钢制薄壁容器的临界压力与波数的计算公式如下：长圆筒Bress 公式：202)(12DS E P cr μ-=(1) 短圆筒B.M.Pamm 公式：)()//()/(06.7/59.242002正整数D L S D n s D LD ES P cr ==(2)临界尺寸：0/17.1L S D D cr = (3) 当L ＞L cr 时，为长圆筒； 当L ＜L cr 时，为短圆筒。
式中：P—临界压力，MPa；crD—圆筒直径，mm；L—圆筒计算长度，mm；S0—圆筒壁厚，mm；E—材料弹性模数，MPa；μ—材料泊桑比；n—失稳时波数；Lcr—临界长度，mm。
四、实验操作步骤1．开启计算机，启动计算机、打开实验软件。
2．检查压力传感器和温度计是否正常。
3．测量试件几何尺寸，检查水箱内水是否充足，适量添加。
4．启动离心泵，向失稳灌内注入适量水（水加至试件放入不易水为宜），安装测试试件。
5．停止离心泵，将压力仪表输出值调至0，启动压缩机。
6．慢慢改变仪表输出值，增加压力，记录压力变化曲线。
7．通过有机玻璃观察试件受压及其变形情况（失稳瞬间有响声）。
8．关闭实验设备，释放压力，取出实验试件分析实验数据。
五、实验数据。
12薄壁容器外压失稳实验
1.2 薄壁容器外压失稳实验1.1.1 准备知识 一、失稳现象薄壁容器在受外压作用时，往往在器壁内的应力还未达到材料的屈服极限，因刚度不足使容器失去原有形状，即被压扁或折曲成波形，这种现象称为失稳。
圆筒形容器失去稳定性后，其横截面被折成波形，波数n 可能是1，2，3，4，……等任意整数,如图2-1所示。
二、临界压力容器失去稳定性时的外压力，成为容器的临界压力，用cr p 表示。
容器承受临界值的外压力而失去稳定性，决非是由于容器壳体本身不圆的缘故，即是绝对圆的壳体也会失去稳定性。
当然如壳体不圆（具有椭圆度）容器更容易失稳，即它的临界压力值会下降。
根据外压容器筒体的长短，可分为长圆筒，短圆筒和刚性圆筒三种，刚性圆筒一般具有足够的刚度，可不必考虑稳定性问题。
但长圆筒，短圆筒必须进行稳定性计算，它们的临界压力cr p 值大小主要与厚壁(t )，外直径(0D )，长度（L ）有关,亦受材料弹性模数(E )，泊桑比(μ)影响。
理想钢制薄壁容器的临界压力与波数的计算公式如下： 长圆筒Bress 公式：32)(12Dt E p cr μ-=短圆筒B.M.Pamm 公式：tD LD Et p cr 00259.2=42)()(06.7D t D L n = 临界尺寸： 0/17.1L S D D cr =图2-1 圆筒形容器失去稳定后的形状当L＞Lcr时，为长圆筒；当L＜Lcr时，为短圆筒。
式中—临界压力，MPa；D—圆筒直径，mm；L—圆筒计算长度，mm；S0—圆筒壁厚，mm；E—材料弹性模数，MPa；μ—材料泊桑比；n—失稳时波数；Lcr—临界长度，mm。
对于外压容器临界压力的计算，有时为计算简便起见，可借助于一些现成的计算图来进行。
1.1.2 实验指导一、目的要求1．观察外压容器的失稳破坏现象及破坏后的形态。
2．验证外压筒体试件失稳时临界压力的理论计算式。
二、实验设施设备表2-2实验装置基本配置表：序号名称型号数量1 电器转换器IP211-X120 12 温度变送器Pt100 / 0~200℃ 13 压力变送器SM9320DP （0-1MPa） 14 压力表Y100 0-1MPa 25 压力缓冲罐不锈钢Φ80-120 16 离心泵不锈钢WB70/025 17 安全阀AI-501B24V 88 外压灌不锈钢Φ325-3509 计算机CPU酷睿1.6G、内存1.0G、硬盘160G、DVD光驱，17” 1液晶显示器、集成显卡10 压缩机ZBM-0.067/8 111 储液罐不锈钢Φ150-250 1图2-1薄壁圆筒外压失稳实验装置三、实验步骤1.开启计算机，启动计算机、打开实验软件。
【实验报告1-2】外压薄壁容器的稳定性实验
实 验 报 告实验名称：外压薄壁容器的稳定性实验 班级：装备0804 实验日期：一、实验目的：a) 掌握外压薄壁容器失稳的概念，观察圆筒体壳体失稳后的形状和波数；b) 了解长圆筒、短圆筒和刚性圆筒的划分，实测外压薄壁容器失稳时的临界压力。
二、实验内容：测量圆筒体形容器失稳时的临界压力值，并与不同的理论公式计算值及图算法计算值进行比较。
观察外压薄壁容器失稳后的形态和变形的波数，并按比例绘制试件失稳前后的横断面形状图，用近似公式计算时间变形波数。
对实验结果进行分析和讨论。
三、实验步骤：a) 测量试件参数：i. 测量试件实际长度L 0、圆弧处外部高度h1、翻边处高度h2；外直径D2、内直径D1。
将测量值填入表。
ii. 计算壁厚t 、圆弧处内部高度h3、中经D 、计算长度L 。
分别将试件的计算值填入表中。
b) 实验台操作 外压薄壁容器的稳定性实验流程图如图1-4所示，实验前打开阀门V05、V07、V09、V10、V12，关闭其他所有阀门。
外压薄壁容器稳定性实验流程图c) 操作台操作i. 向右扳动控制台面板（图4-5）上的总控开关“14”，启动控制台；ii. 顺时针旋转旋钮“8”到底，打开电动调节阀V14，逆时针旋转旋钮“7”到底； iii. 向右扳动选择开关13，将水泵运行设置成变频运行方式，按下主水泵启动按钮“10”启动变频器； iv. 顺时针旋转压力调节旋钮，使主水泵开始运转，将加压罐内充水至上封头与接管连接处，按下主水泵关闭按钮关闭主水泵，同时关闭阀门V07，保持加压罐水位不变。
关闭贾亚馆旁边液位测量装置的两个阀门。
v. 试件装入加压罐内，要注意的是使垫圈要紧贴时间上端翻边处的四周，防止泄漏，然后对称的拧紧螺母；vi. 启动工控机，在桌面上打开“基本实验主程序”，点击“实验选择”按钮，选V05 V10V14 低位水箱P4内压容器V07V09 V12择“外压薄壁容器的稳定性实验”菜单，进入后点击“开始实验”进入实验画面。
外压容器的失稳实验报告
一、实验目的1. 了解外压容器失稳现象的产生原因及机理。
2. 通过实验验证外压容器失稳的临界压力与容器几何尺寸、材料性质等因素的关系。
3. 掌握外压容器失稳实验的基本操作和数据处理方法。
二、实验原理外压容器失稳是指在外压作用下，容器壁内薄膜应力突然转变为弯曲应力，导致容器失去原有形状的现象。
当外压达到一定值时，容器将发生失稳破坏。
外压容器失稳的临界压力PCr主要受容器几何尺寸（长度L、直径D、壁厚S）和材料性质（弹性模量E、泊松比μ）的影响。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：压力传感器、电子万能试验机、百分表、卡尺、支架等。
2. 实验材料：低碳钢圆筒形容器。
四、实验步骤1. 将圆筒形容器固定在支架上，确保容器水平放置。
2. 使用卡尺测量容器的外径D、内径D0和壁厚S。
3. 将压力传感器安装在容器顶部，确保传感器与容器顶部紧密接触。
4. 将百分表连接到压力传感器，用于测量容器变形量。
5. 启动电子万能试验机，缓慢增加外压，同时观察容器变形情况。
6. 当容器发生失稳破坏时，记录此时的外压值，即为临界压力PCr。
7. 重复上述实验步骤，进行多次实验，取平均值作为最终结果。
五、数据处理与分析1. 根据实验数据，绘制容器外压与变形量的关系曲线。
2. 根据实验结果，计算容器失稳时的临界压力PCr。
3. 将实验得到的临界压力PCr与理论值进行比较，分析误差原因。
4. 分析容器失稳现象的产生原因及机理，探讨影响临界压力的因素。
六、实验结果与分析1. 实验结果：通过多次实验，得到圆筒形容器失稳时的临界压力PCr为P0。
2. 理论计算：根据理论公式，计算容器失稳时的临界压力PCr为P理论。
3. 结果比较：实验得到的临界压力PCr与理论值P理论基本吻合，误差较小。
4. 分析：实验结果表明，容器失稳现象的产生主要与容器几何尺寸、材料性质及外压大小有关。
当外压超过一定值时，容器将发生失稳破坏。
七、结论1. 外压容器失稳现象的产生与容器几何尺寸、材料性质及外压大小密切相关。
外压容器失稳课件
实验：
外压薄壁容器
什么样的容器称为外压容器？
外部压力大于内部压力的容器
真空干燥设备
减压蒸馏系统
外压容器工作过程中会发生什么？
刚才的视频中，看 到了什么现象？
容器突然间瘪了
此容器在工作中承受什么力？ 压力
容器在还没发生强 度破坏的时候就突 然的被压瘪。
一、外压容器失稳概念： 这种在外压作用下，筒体 突然失去原有形状而被压 瘪或出现波纹的现象，称 外压容器的失稳
失去稳定性和 谁有关？
临界 压Pcr
临界压力
三、临界压力：导致筒体失稳的外压
工作压力为0.04PMa、 0.03MPa时？
工作压力为 0.06MPa时呢？
容器正常工 作
失稳
容器正常的工作压力 要 小于 临界压力Pcr
四、临界压力Pcr的影响因素
L、D、S
临界压 力Pcr和 哪些因 素有关 系？
外压容器正常工作 的必要条件是，
二、外压容器失稳形式 轴 侧 向 向 失 失 局部失稳 稳 稳
简图
保证足够的 稳定性
载荷？ 变形？
简图
简图
1、侧向失稳：主要承受侧
小
向外压，变形为横截面由 圆形变为波形（扁了、瘪 了）
2、轴向失稳：承受轴向外 压，变形为径线由直线变 结 为曲线 3、局部失稳：局部外压， 变形为局部径线由直线变 为曲线
材料性能
筒体形状及材 料的不均匀性
1、
几何尺寸：L、D、S
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2、材料性能
3、筒体形状和材 料的不均匀
材料的弹性 模数越大， 临界压力 就越大，
材料的形 状和材料 的不均匀
结束
小结：
1、外压容器失稳及失稳形式
薄壁圆筒局部限制失稳的试验及有限元研究
第４２卷第１期燕山大学学报Ｖｏｌ ４２Ｎｏ １２０１８年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＪａｎ．２０１８㊀㊀文章编号：１００７⁃７９１Ｘ（２０１８）０１⁃００２９⁃０５薄壁圆筒局部限制失稳的试验及有限元研究尹宗勋，高炳军∗，董俊华（河北工业大学化工学院，天津３００１３０）㊀㊀收稿日期：２０１７⁃０３⁃２５㊀㊀㊀责任编辑：温茂森基金项目：河北省自然科学基金资助项目（Ｅ２０１７２０２０７８，Ｅ２０１１２０２０４４）㊀㊀作者简介：尹宗勋（１９９１⁃），男，河北廊坊人，硕士研究生，主要研究方向为过程及装备ＣＡＥ；∗通信作者：高炳军（１９６６⁃），男，河北沧县人，博士，教授，主要研究方向为压力容器强度分析与优化，Ｅｍａｉｌ：ｂｊｇａｏ＠ｈｅｂｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ㊂摘㊀要：以易拉罐为薄壁圆筒试件，设计并加工了一组局部刚性夹持结构，对局部刚性夹持试件进行外压试验，考察了局部限制约束对薄壁外压圆筒稳定性的影响，同时利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对结构进行了特征值屈曲分析和几何非线性屈曲分析㊂试验与有限元计算表明：临时性局部限制约束可以提高外压薄壁筒体的抗失稳能力，并且薄壁圆筒的失稳临界压力和失稳波形数随刚性夹持件宽度的增加而增大㊂关键词：局部限制失稳；薄壁圆筒；临界压力；有限元中图分类号：ＴＵ３１１．２，Ｏ３４３．９㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７⁃７９１Ｘ．２０１８．０１．００４０ 引言低温液体运输半挂车的罐体主要由外壳与内容器构成［１］，其中内容器在正常工作状态下是内压容器，不存在稳定性问题㊂但是制造过程中当对内容器焊缝进行氦检漏［２］时需要对内容器抽真空㊂内容器内部虽设有安装防波板用的支撑圈以及安装内容器与外壳环氧玻璃钢支撑用的支撑圈，但通常不能满足稳定性要求，内容器失稳如图１所示㊂氦检漏时在罐体外壁加装临时性局部刚性夹持构件［３］是否可以增加罐体的抗失稳能力有待于深入研究，这种局部夹持失稳属于限制失稳问题㊂图１㊀内压容器失稳图Ｆｉｇ．１㊀Ｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆｉｎｎｅｒｃｏｎｔａｉｎｅｒ㊀㊀限制失稳［４］是指构件失稳时由于受到某种限制性约束而不能自由发生屈曲变形的失稳㊂在很多的实际工程中都能够应用到，比如埋地管道［５］㊁隧道的防漏衬层［６］㊁核电站安全壳中的钢衬壳［７］等等㊂因此对于限制失稳的研究有很重要的实际工程意义㊂郭英涛等［８］采用弹性材料Ｍｙｌａｒ制作衬壳，外侧刚性限制为钢制圆柱筒壳的装置进行了试验研究，结果表明受侧向外压的圆柱薄衬壳限制失稳临界压力比自由失稳临界压力有很大的提高㊂冯兴奎等［９］采用模拟尿素合成塔松衬里设备的结构构件，对外壁受刚性约束的外压圆筒进行了稳定性试验研究，结果表明，外壁刚性约束具有加强作用，可使临界压力明显提高㊂ＹａｍａｍｏｔｏＹ和ＭａｔｓｕｂａｒａＮ［１０］对限制在刚性壁中的圆柱衬壳进行了试验研究，试验发现当压力较小时，壳体先按照自由屈曲的形式发生变形，直到和外壁发生接触，随着压力的增加，壳体外壁与刚性内壁的接触区域逐渐增大，所承受的压力会高于自由屈曲的临界压力㊂以上对限制失稳的试验研究有一个共同点，即衬壳被整体约束在外侧刚性约束内，但是对于临时性局部限制约束对外压薄壁圆筒稳定性的影响还缺乏必要的试验验证，因此，本文设计并加工了一套局部刚性夹持结构，选用易拉罐作为试件来模拟薄壁筒体进行外压试验，并利用软件ＡＮＳＹＳ对相应结构进行有限元计算，验证利用这３０㊀燕山大学学报２０１８种临时性局部刚性夹持结构提高外压薄壁圆筒抗失稳能力的可行性㊂１㊀外压试验１．１㊀试件及局部夹持结构外压试件采用易拉罐［１１］（图２（ａ）），材料为马口铁，厚度为０．１９ｍｍ，平均外径为５２．５６ｍｍ，有效长度为１２３ｍｍ，材料的弹性模量为１．９４ˑ１０５ＭＰａ，屈服极限为３７３．４ＭＰａ㊂加工的局部夹持结构如图２（ｂ）所示，由两个半圆形钢质夹持环㊁两个半圆形固定环以及两对螺栓螺母组成，材料为３０４不锈钢㊂其中夹持环内壁可以与易拉罐外壁贴合，主要起提供限制约束的作用；固定环端部有用于连接的折边段，折边段上开有螺栓孔，主要起固定夹持环的作用㊂安装局部夹持结构的试件如图２（ｃ）所示㊂试验制备了７组不同宽度的夹持环，宽度尺寸分别为５ｍｍ㊁１０ｍｍ㊁１５ｍｍ㊁２０ｍｍ㊁２５ｍｍ㊁３０ｍｍ㊁３５ｍｍ，厚度均为２ｍｍ㊂图２㊀外压试件Ｆｉｇ．２㊀Ｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｓｐｅｃｉｍｅｎ１．２㊀外压试验装置及试验过程外压试验装置如图３所示，包括手动试压泵㊁加压容器㊁精密压力表等组件㊂图３㊀外压试验装置图Ｆｉｇ．３㊀Ｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｓｔｓｅｔｕｐ㊀㊀打开加压容器平板封头中心开孔处的法兰盖，向加压容器内注满水㊂将局部夹持结构装夹于易拉罐的中间位置并且在易拉罐顶端的凹陷处装上Ｏ形密封圈，然后放置于法兰盖的凹槽中，安装托环并通过拧紧螺钉使托环压紧Ｏ形密封圈来实现外压试件的密封，试件安装的结构示意图及实物图见图４㊂使用螺丝刀拧紧固定板上的支撑杆使其末端的支撑盘接触外压试件底端，以消除试验中轴向载荷对试件失稳临界压力的影响（固定板焊接于法兰盖上，支撑杆与固定板通过螺纹连接）㊂外压试件内腔通过支撑杆与法兰盖之间的空隙与大气相通㊂拧紧螺栓使法兰盖固定在加压容器平板封头的中心开孔处，并压紧橡胶垫片实现法兰盖与平板封头间的密封㊂利用手动试压泵向压力容器内加压，由精密压力表测量压力，记录能够达到的最大压力即为试件的临界压力㊂打开法兰盖取下失稳试件，观察失稳波形，记录失稳波形数㊂图４㊀外压试件安装图Ｆｉｇ．４㊀Ｓｐｅｃｉｍｅｎａｓｓｅｍｂｌｙ１．３㊀试验结果及分析无夹持环的试件失稳如图５（ａ）所示，其临界第１期尹宗勋等㊀薄壁圆筒局部限制失稳的试验及有限元研究３１㊀压力为０．１５ＭＰａ，失稳波形数为４个；安装宽度为３０ｍｍ夹持环的试件失稳如图５（ｂ）所示，其临界压力为０．４９ＭＰａ，失稳波形数为６个㊂其他试件试验数据见表１㊂由试验结果可得，对外压薄壁圆筒施加临时性局部限制约束可以增加筒体的抗失稳能力并且随着局部夹持环宽度尺寸的增加，外压试件的临界压力逐渐增大㊂图５㊀失稳试件Ｆｉｇ．５㊀Ｂｕｃｋｌｉｎｇｓｐｅｃｉｍｅｎ２㊀有限元分析２．１㊀有限元模型易拉罐采用ｓｈｅｌｌ１８１单元，局部夹持环采用ｓｏｌｉｄ４５单元进行有限元分析［１２⁃１３］㊂有限元模型网格剖分如图６所示，筒体中间网格加密部分为接触区域，模型共包括１８０８０个节点，１７０８０个单元㊂位移约束条件为在薄壁圆筒一端施加环向约束并且在其中的一个关键点上施加轴向约束，另一端仅施加环向约束［１４］，局部夹持环在内㊁外表面对称位置的８个节点上施加环向辅助约束㊂载荷为筒体外壁施加１ＭＰａ外压㊂筒体失稳过程中，局部夹持环内壁与筒体外壁之间产生接触㊂采用面面接触建立接触对，夹持环内壁为目标面，圆筒外壁为接触面，分别选用ＴＡＲＧＥ１７０和ＣＯＮＴＡ１７４单元，摩擦系数取０．３［１５］㊂图６㊀网格剖分Ｆｉｇ．６㊀Ｍｅｓｈｉｎｇ２．２㊀有限元分析结果无夹持环试件的特征值屈曲模态如图７（ａ）所示，屈曲载荷系数为０．１８３８２８，即临界压力为０．１８３８２８ＭＰａ，失稳波形数为４个㊂装有３０ｍｍ局部夹持环试件的特征值屈曲模态图如图７（ｂ）所示，屈曲载荷系数为０．５８９０７８，即临界压力为０．５８９０７８ＭＰａ，失稳波形数为７个，从图中可以看出，局部夹持环对试件的失稳波形有很大影响，临界压力也有很大的提高㊂图７㊀失稳模态Ｆｉｇ．７㊀Ｂｕｃｋｌｉｎｇｍｏｄｅ３２㊀燕山大学学报２０１８㊀㊀随后在特征值屈曲分析基础上进行几何非线性分析，将特征值屈曲分析所得到的一阶屈曲模态乘以比例系数０．０１作为初始缺陷引入到模型中，采用弧长法进行计算㊂提取结果中径向位移最大的节点，做出其对应的压力与径向位移的平衡曲线，如图８所示，曲线中的最大压力０．４８８ＭＰａ即为临界压力㊂其他计算结果见表１㊂图８㊀压力位移曲线Ｆｉｇ．８㊀Ｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅ表１㊀各试件的临界压力与失稳波形数Ｔａｂ．１㊀Ｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｗａｖｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎ夹持环宽度／ｍｍ临界压力／ＭＰａ失稳波形数试验值特征值屈曲分析结果非线性屈曲分析结果试验值特征值屈曲分析结果非线性屈曲分析结果００．１５０．１８４０．１７４４４５０．３８０．４４７０．３８２５７７１００．４００．４７２０．４０８６７７１５０．４２０．４９５０．４２７６７７２００．４４０．５２１０．４４５６７７２５０．４６０．５５２０．４６５５７７３００．４９０．５８９０．４８８６７７３５０．５１０．６１９０．５１９７８８３㊀有限元模拟结果与试验结果的对比为了进一步探究局部夹持环宽度对试件临界压力的影响，另外补充计算了夹持环宽度为１ｍｍ㊁２ｍｍ㊁３ｍｍ㊁４ｍｍ㊁４０ｍｍ㊁５０ｍｍ情况下模型的临界压力，并将有限元模拟结果与试验结果作图，如图９所示㊂由图可知，特征值屈曲分析计算的临界压力与试验结果相比均偏大，最大偏差为２１．３３％，原因是在特征值计算的过程中没有考虑筒体的初始缺陷对临界压力的影响，而将初始缺陷引入模型计算的几何非线性屈曲分析计算结果可以与试验结果很好的吻合，也说明所引入的初始缺陷是合理的㊂三种方式所得到的结果均具有相同的变化趋势，即随着局部夹持环宽度的增加，临界压力值逐渐增大㊂并且，带有局部夹持环试件的临界压力要远大于相同条件下自由失稳试件的临界压力㊂由此可见，临时性地加装局部夹持环这种限制约束可以增强薄壁外压容器的抗失稳能力㊂此外，随着局部夹持环宽度的增加，外压薄壁圆筒的失稳波形数也会增加㊂根据图９中的数值计算结果可以看出当局部夹持环的宽度为５ｍｍ时，临界压力的变化出现第一个拐点，因此可以作为合理的夹持环宽度㊂图９㊀有限元计算结果与试验结果的对比Ｆｉｇ．９㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓ４㊀结论１）试验及有限元计算表明临时性局部限制约束可以提高外压薄壁筒体的抗失稳能力㊂２）外压圆筒的临界压力随刚性夹持件宽度的增加而增大，临界压力出现第一个拐点时的宽度可作为夹持环的合理宽度㊂３）外压薄壁圆筒的失稳波形数随着夹持环宽度的增加而增加㊂参考文献１ 卫丽霞．液化天然气运输半挂车结构及流程 Ｊ ．中国特种设备安全２０１１ ２７ １ ２２⁃２３．ＷＥＩＬＸ．ＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＬＮＧｓｅｍｉｔｒａｉｌｅｒ Ｊ ．ＣｈｉｎａＳｐｅｃｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳａｆｅｔｙ ２０１１ ２７ １ ２２⁃２３．２ 张梅孙占远．低温液体运输车在抽空氦检漏中的问题及改进 Ｊ ．中国特种设备安全２００９ ２５ ９ ４１⁃４２．ＺＨＡＮＧＭ ＳＵＮＺＹ．Ｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｒｙｏｇｅｎｉｃｌｉｑｕｉｄｖｅｈｉｃｌｅ第１期尹宗勋等㊀薄壁圆筒局部限制失稳的试验及有限元研究３３㊀ｄｕｒｉｎｇｈｅｌｉｕｍｌｅａｋｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔａｃｔｉｃｓ Ｊ ．ＣｈｉｎａＳｐｅｃｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＳａｆｅｔｙ ２００９ ２５ ９ ４１⁃４２．３ 刘康林童长河黄剑平等．低温夹套容器内罐氦检漏辅助装置２０１２２０２４５８１５１．９ Ｐ．２０１２⁃１２⁃１９．ＬＩＵＫＬ ＴＯＮＧＣＨ ＨＵＡＮＧＪＰ ｅｔａｌ．Ａｕｘｉｌｉａｒｙａｐｐｌｉａｎｃｅｆｏｒｈｅｌｉｕｍｌｅａｋｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｃｒｙｏｇｅｎｉｃｖｅｓｓｅｌｗｉｔｈｊａｃｋｅｔ．２０１２２０２４５８１５１．９ Ｐ．２０１２⁃１２⁃１９．４ 郭英涛任文敏．关于限制失稳的研究进展 Ｊ ．力学进展２００４ ３４ １ ４１⁃５２．ＧＵＯＹＴ ＲＥＮＷＭ．Ｓｏｍｅａｄｖａｎｃｅｉｎｃｏｎｆｉｎｅｄｂｕｃｋｌｉｎｇ Ｊ ．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃｓ ２００４ ３４ １ ４１⁃５２．５ ＬＩＺＣ．Ｅｌａｓｔｉｃｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｐｉｐｅｌｉｎｉｎｇｓｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｎｃａｓｅｄｉｎｒｉｇｉｄｈｏｓｔｐｉｐｅｓ Ｊ ．Ｔｈｉｎ⁃ｗａｌｌｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ２０１２ ５１ ２５ １０⁃１９．６ ＶＡＳＩＬＩＫＩＳＤ ＫＡＲＡＭＡＮＯＳＳＡ．Ｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｃｏｎｆｉｎｅｄｔｈｉｎ⁃ｗａｌｌｅｄｃｙｌｉｎｄｅｒｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｊ ．ＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓＲｅｖｉｅｗｓ ２０１４ ６６ １ ０１０８０１．７ 范钦珊丁红丽徐秉业等．安全壳中钢衬壳热屈曲问题理论与实验研究Ⅱ 实验部分 Ｊ ．力学学报１９９１ ３１ １ ８４⁃９１．ＦＡＮＹＳ ＤＩＮＧＨＬ ＸＵＢｉｎｇｙｅ ｅｔａｌ．ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｂｕｃｋｌｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｉｎｅｒｓｈｅｌｌｓＩＩ －Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐａｒｔ Ｊ ．ＡｃｔａＭｅｃｈａｎｉｃａＳｉｎｉｃａ １９９９ ３１ １ １ ８４⁃９１．８ 郭英涛任文敏．圆柱壳限制失稳的实验研究 Ｊ ．工程力学２００６ ２３ Ｓ１ ７⁃１０．ＧＵＯＹＴ ＲＥＮＷＭ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｃｏｎｆｉｎｅｄｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓ Ｊ ．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ ２００６ ２３ Ｓ１ ７⁃１０． ９ 冯兴奎孟祥波付玉华等．外壁受刚性约束的外压圆筒的稳定性试验研究 Ｊ ．压力容器１９８７ ４ ６ １８⁃２２．ＦＥＮＧＸＫ ＭＥＮＧＸＢ ＦＵＹＨ ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｃｙｌｉｎｄｅｒｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｏｕｔｓｉｄｅｒｉｇｉｄｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ Ｊ ．ＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １９８７ ４ ６ １８⁃２２． １０ ＹＡＭＡＭＯＴＯＹ ＭＡＴＳＵＢＡＲＡＮ．Ｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆａｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｒｅｓｔｒａｉｎｅｄｂｙａｎｏｕｔｅｒｒｉｇｉｄｗａｌｌ Ｊ ．ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄＡｐｐｌＭｅｃｈ １９７９ ２７ ６ １１５⁃１２６．１１ 高炳军唐辉永苏亮等． 露露易拉罐作为外压圆筒稳定性试验试件的可行性研究 Ｊ ．河北工业大学成人教育学院学报２００８ ２３ １ ５３⁃５６．ＧＡＯＢＪ ＴＡＮＧＨＹ ＳＵＬ ｅｔａｌ．Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆ Ｌｕｌｕ ｐｏｐｃａｎａｓｓｐｅｃｉｍｅｎｆｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｓｔａｂｉｌｉｔｙｕｎｄｅｒｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｊ ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｕｌｔＥｄｕｃａｔｉｏｎＳｃｈｏｏｌｏｆＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００８ ２３ １ ５３⁃５６．１２ 周云岗杨靖华．多塔斜拉⁃悬吊协作体桥力学性能探讨 Ｊ ．燕山大学学报２０１５ ３９ １ ８８⁃９４．ＺＨＯＵＹＧ ＹＡＮＧＪＨ．Ｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｃｓｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｍｕｌｔｉ⁃ｔｏｗｅｒｓｃａｂｌｅ⁃ｓｔａｙｅｄｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂｒｉｄｇｅｓ Ｊ ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ２０１５ ３９ １ ８８⁃９４．１３ 肖俊华段晓森．贝氏体钢组合辙叉的准静态接触有限元分析 Ｊ ．燕山大学学报２０１５ ３９ ２ １６５⁃１６９．ＸＩＡＯＪＨ ＤＵＡＮＸＳ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｎｂａｉｎｉｔｅｓｔｅｅｌｃｒｏｓｓｉｎｇｕｎｄｅｒｑｕａｓｉ⁃ｓｔａｔｉｃｃｏｎｔａｃｔｌｏａｄ Ｊ ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ２０１５ ３９ ２ １６５⁃１６９．１４ 余伟炜高炳军．ＡＮＳＹＳ在机械与化工设备中的应用 Ｍ ．２版．北京中国水利水电出版社２００７ ８４⁃９７．ＹＵＷＷ ＧＡＯＢＪ．ＡＮＳＹＳａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍ ．２ｎｄｅｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ ＣｈｉｎａＷａｔｅｒ＆ＰｏｗｅｒＰｒｅｓｓ ２００７ ８４⁃９７．１５ 刘康林赵国朱志彬等．基于ＡＮＳＹＳ的圆柱壳限制失稳研究 Ｊ ．石油化工设备２０１３ ４２ ５ ８⁃１１．ＬＩＵＫＬ ＺＨＡＯＧ ＺＨＵＺＢ ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｏｎｆｉｎｅｄｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆａｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳ Ｊ ．Ｐｅｔｒｏ⁃ＣｈｅｍｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ ２０１３ ４２ ５ ８⁃１１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｔｕｄｙｏｎｌｏｃａｌｃｏｎｆｉｎｅｄｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆｔｈｉｎ⁃ｗａｌｌｃｙｌｉｎｄｅｒＹＩＮＺｏｎｇｘｕｎ ＧＡＯＢｉｎｇｊｕｎ ＤＯＮＧＪｕｎｈｕａＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０ ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｃａｎｓａｒｅｔａｋｅｎａｓｔｈｉｎ⁃ｗａｌｌｅｄｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓｐｅｃｉｍｅｎｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ａｇｒｏｕｐｏｆｌｏｃａｌｒｉｇｉｄｃｌａｍｐｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ．Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｄｉｓｃｏｖｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｌｏｃａｌｃｏｎｆｉｎｅｄｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｎ⁃ｗａｌｌｃｙｌｉｎｄｅｒｕｎｄｅｒｕｎｉｆｏｒｍｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＴｈｅｅｉｇｅｎｖａｌｕｅｂｕｃｋｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｇｅｏｍｅｔｒｉｃｎｏｎｌｉｎｅａｒｂｕｃｋｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｅｍｐｌｏｙｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｉｄｏｆＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｅｍｐｏｒａｒｙｌｏｃａｌｒｉｇｉｄｃｏｎｆｉｎｅｄｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｔｈｉｎ⁃ｗａｌｌｃｙｌｉｎｄｅｒｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｂｕｃｋｌｉｎｇｗａｖｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｇｒａｄｕａｌｌｙｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｌａｍｐｉｎｇｗｉｄｔｈ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｌｏｃａｌｃｏｎｆｉｎｅｄｂｕｃｋｌｉｎｇ ｔｈｉｎ⁃ｗａｌｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌ ｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ。
薄壁圆筒局部限制失稳的试验及有限元研究
薄壁圆筒局部限制失稳的试验及有限元研究尹宗勋;高炳军;董俊华【摘要】以易拉罐为薄壁圆筒试件,设计并加工了一组局部刚性夹持结构,对局部刚性夹持试件进行外压试验,考察了局部限制约束对薄壁外压圆筒稳定性的影响,同时利用有限元软件ANSYS对结构进行了特征值屈曲分析和几何非线性屈曲分析.试验与有限元计算表明:临时性局部限制约束可以提高外压薄壁筒体的抗失稳能力,并且薄壁圆筒的失稳临界压力和失稳波形数随刚性夹持件宽度的增加而增大.%Cans are taken as thin-walled cylindrical shell specimens subjected to external pressure.A group of local rigid clamping structure is designed and manufactured.An experimental study is carried out to discover the influence of local confined constraint on the stability of thin-wall cylinder under uniform external pressure.The eigenvalue buckling analysis and geometric nonlinear buckling analysis are employed with the aid of ANSYS.The experimental and finite element results indicate that temporary local rigid confined constraint can effectively improve the critical pressure of the thin-wall cylinder subjected to external pressure.Meanwhile,the critical pressure and buckling wave number of the specimen increase gradually with the increase of clamping width.【期刊名称】《燕山大学学报》【年(卷),期】2018(042)001【总页数】5页(P29-33)【关键词】局部限制失稳;薄壁圆筒;临界压力;有限元【作者】尹宗勋;高炳军;董俊华【作者单位】河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TU311.2;O343.90 引言低温液体运输半挂车的罐体主要由外壳与内容器构成[1]，其中内容器在正常工作状态下是内压容器，不存在稳定性问题。
外压容器失稳实验
实验七 外压容器失稳实验一、实验目的1、观察圆筒型试件在外压作用下的失稳过程和失稳破坏后的形状；2、验算圆筒形试件失稳破坏时的临界压力并与试件失稳的实测值比较；3、验算上述圆筒形试件中部设有加强圈后的权形数与临界外压。
二、基本理论在外压作用下的薄壁容器 器壁内的应力还未达到材料的屈服极限时。
容器会突然产生现象而丧失容器原有形状。
使容器丧失稳定性的外压力称为该容器的临界压力Pcr ．圆筒形容器变形后的形状呈多波形 其波形数。
可能是2、3、4…．容器承受临界外压作用而丧失稳定性。
并不是由于壳体的不园度或材料不均匀等所致，即使壳体的几何形状很规整，材料很均匀。
当外压力达到一定数值时。
也会产生失稳现象。
当然壳体不园，材料不均匀能使其失稳的临界压力值降低。
外压容器失稳的临界压力Pcr 的大小取在于容器长度与直径之比（L/D ）和容器壁辱与直径之比（S/D ）。
园筒形容器按失稳后的破坏情况可分为三类：1、长圆筒----这种圆筒得L/D 值比较大，临界压力Pcr 仅与S/D 有关,而L/D 无关,失稳后的波形数为2；2、短园筒----筒体两端的边界影响显著，临界压力不仅与S/D 有关,而且与L/D 也有关,失稳后的波形数n 为大于2的整数；3、刚性园筒----此园简的破坏系由于器壁内的应力超过材料的屈服极限所致，在这之前不会发生失稳，计算时满足强度要求即可。
三、临界压力Pcr 理论计算公式1、临界长度：Lcr=1.11Do2、长圆筒：Pcr=2.2E 3〉〈DS 3、短圆筒：Pcr=2.59E D LD S 5.2〉〈 4、许用外压力：[p]=BSe/Do四、实验装置及试件1、实验装置本实验使用的装置如图1所示。
图7-1 外压试验装置图1-气瓶；2-气瓶瓶阀；3-减压阀；4-放空阀；5-进气阀；6-下端盖；7-试件；8-支撑架；9-支撑座；10-小盖；11-上端盖；12-透明简体；13-压力表实验装置的主体会透明有机玻璃圆筒和平顶盖构成，实验时可将试件装在试件支承座上，并用橡胶密封图把试件的内外腔隔开。
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1.2 薄壁容器外压失稳实验
1.1.1 准备知识 一、失稳现象
薄壁容器在受外压作用时，往往在器壁内的应力还未达到材料的屈服极限，因刚度不足使容器失去原有形状，即被压扁或折曲成波形，这种现象称为失稳。
圆筒形容器失去稳定性后，其横截面被折成波形，波数n 可能是1，2，3，4，……等任意整数,如图2-1所示。
二、临界压力
容器失去稳定性时的外压力，成为容器的临界压力，用cr p 表示。
容器承受临界值的外压力而失去稳定性，决非是由于容器壳体本身不圆的缘故，即是绝对圆的壳体也会失去稳定性。
当然如壳体不圆（具有椭圆度）容器更容易失稳，即它的临界压力值会下降。
根据外压容器筒体的长短，可分为长圆筒，短圆筒和刚性圆筒三种，刚性圆筒一般具有足够的刚度，可不必考虑稳定性问题。
但长圆筒，短圆筒必须进行稳定性计算，它们的临界压力cr p 值大小主要与厚壁(t )，外直径(0D )，长度（L ）有关,亦受材料弹性模数(E )，泊桑比(μ)影响。
理想钢制薄壁容器的临界压力与波数的计算公式如下： 长圆筒Bress 公式：3
2)(12D
t E p cr μ-=
短圆筒B.M.Pamm 公式：t
D LD Et p cr 00259.2=
4
2
)
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.7D t D L n = 临界尺寸： 0/17.1L S D D cr =
图2-1 圆筒形容器失去稳定后的形状
当L＞Lcr时，为长圆筒；
当L＜Lcr时，为短圆筒。
式中—临界压力，MPa；
D—圆筒直径，mm；
L—圆筒计算长度，mm；
S0—圆筒壁厚，mm；
E—材料弹性模数，MPa；
μ—材料泊桑比；
n—失稳时波数；
Lcr—临界长度，mm。
对于外压容器临界压力的计算，有时为计算简便起见，可借助于一些现成的计算图来进行。
1.1.2 实验指导
一、目的要求
1．观察外压容器的失稳破坏现象及破坏后的形态。
2．验证外压筒体试件失稳时临界压力的理论计算式。
二、实验设施设备
表2-2实验装置基本配置表：
序号名称型号数量
1 电器转换器IP211-X120 1
2 温度变送器Pt100 / 0~200℃ 1
3 压力变送器SM9320DP （0-1MPa） 1
4 压力表Y100 0-1MPa 2
5 压力缓冲罐不锈钢Φ80-120 1
6 离心泵不锈钢WB70/025 1
7 安全阀AI-501B24V 8
8 外压灌不锈钢Φ325-350
9 计算机CPU酷睿1.6G、内存1.0G、硬盘160G、DVD光驱，17” 1
液晶显示器、集成显卡
10 压缩机ZBM-0.067/8 1
11 储液罐不锈钢Φ150-250 1
图2-1薄壁圆筒外压失稳实验装置
三、实验步骤
1.开启计算机，启动计算机、打开实验软件。
2.检查压力传感器和温度计是否正常。
3.测量试件的有关参数：壁厚t，直径D0，长度L。
用千分卡测壁厚，用游标卡尺测内直
径（便于精确测量）和长度，外直径D0由内直径加壁厚得到。
各参数分别测量两到三次，计算时取平均值。
4.检查水箱内水是否充足，适量添加。
启动离心泵，向失稳灌内注入适量水（水加至试件
放入不易水为宜），安装测试试件。
5.停止离心泵，将压力仪表输出值调至0。
6.启动压缩机,慢慢改变压缩比，增加压力，记录压力变化曲线。
7.缓慢升压至试件破坏为止（试件破坏时有轻微的响声），记下容器的失稳压力（即有轻
p）。
失稳后需快速关闭压缩机开关。
微响声时的瞬间压力,此压力为临界压力
cr
8.通过有机玻璃观察试件受压及其变形情况（失稳瞬间有响声）。
9.关闭实验设备，释放压力，取出实验试件(观察试件变形情况）分析实验数据。
四实验数据记录整理
1. 列出测量所得的试件几何尺寸数据。
2. 记录压力变化曲线。
3.记录失稳现象。
4.记录波纹数n。
五、注意事项：
1、注意启动离心泵时关闭出口阀。
2、安装测试试件时注意安装螺栓要对称均匀地用扳手拧紧螺栓。
3、安装完试件后不要再启动离心泵，防止液体倒灌入压缩机。
4、压缩机,慢慢改变压缩比，缓慢加压。
1.1.3 实验数据分析处理与讨论
1、验算波纹数n。
2、计算容器的临界压力并与实测值进行比较。
3、讨论、分析试验结果，分析误差原因。