外压容器失稳实验
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。
设计型外压容器失稳实验研究
言，
外压容器失稳实验是将容器在外压作用下造成 失稳 变形 的一 种教学 实验 ，也是 压力容 器 失效破 坏 的一 个典 型教 学演示 实例 ，它具 有操作 简单 、结 果 直观等特点被作为过程装备与控制工程专业 （ 简称 过控专业 ） 开设专业实验课 的首选实验 ，已经成为
Ｉ ｓ ａ ｉ ｔ ｐｅ ｉ ｅ ｔ Ｉ ｖ ｓｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｔ ｒ ａ ｅ ｓ ｒ ｓ ｅ ｎ ｔ ｂ ｌ ｙ Ｅｘ ｒ ｍ ｎ ｎ ｅ ｔｇ ｔｏ ｆＥｘ ｅ ｎ ｌＰｒ ｓ ｕ ｅ Ｖｅ ｓ ｌ ｉ
Ｂａ ｅ ｎ Ｄｅ ｉ ｎ Ｔｙ ｅ Ｃｏ ｅ ｔ ｓ ｄ ｏ ｓｇ ｐ ｎｃ ｐ
（ 大连理工大学化工机械学院 ，辽宁 大连 ｌ６２ ） ０４ １
摘要 ：针对传统验证型外压容器失稳 实验 不足 ，开发 一种设计 型的外压 容器失稳 实验 。通过在容 器 中安置 一套带 内加 强板
的可调 节支撑装置 ，由学生 自己设计调 节方案 ，实现 在不同加 强结构形 式下与 实验 对应的临界 失稳 压 力和形态 ，根据 实验
ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｎ ｈ ｔ ｅ ｅ ａ ｅ—ｄ ｓｇ ｅ ｃ ｏｄ ｎ ｔ ｄ ｎ ｓｏ ｎ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌ ｎ，ｔ ｕ ｈ ｉ ｅ ｎ ｒｔ ａ ｕ ｋ ｉ ｇｐ ｅ ｓ ｒ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ ，ａ ｄ ｔ ｅｓｉ ｎ ｒＷ ｒ ｆ ｓ ｅ ｉ ｄ ａ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｓｕ ｅ ｔ ｗ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｎ ｏ ｐ ｈ ｓｔ ｅ ｄｆ ｒ ｔｃ ｉ ｌｂ ｃ ｌ ｒ ｓ ｕ ｅ ｉ ｃ ｎ ｅ ａ ｄｉ ｈ ｐ ａ ｅｏ ｓｒｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｃ ｎ ｂ ｂ ｅ ｖ ｄ， ｔ ｅｒ ｌ ｂ ｌ ｙ ｏ ｅ ｓ ｈ ｍｅ ｃ ｎ ｂ ｅ ｆ ｄ ｂ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｅ ｕ ｔ ．Ｔ ｅ ｐ ａ ｔ ａ ａ ｈ ｎ ａ ｅ ｌ ｓ ｅ ｈ ｅ ｉ ｉ ｔ ｆ ｈ ｃ ｅ ａ ｅ ｖ ｒ ｅ ｙ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｒ ｓ ｌ ａ ｉ ｔ ｉ ｉ ｉ ｌ ｓ ｈ ｒ ｃｉ ｌ ｅ ｃ ｉｇ ｃ ｓ Ｊ —ｅ ｇ Ｕ Ｑ ａ ｌｎ Ｏ ｉ ｐ ｎ ，ＷＡ Ｇ Ｚ — Ｕ Ｉ ｕ －ｅ Ｕ Ｄ —ｅ ｇ ｏｉ ｕ Ｎ ｅＷ ，ＬＵ Ｒ ｎｊ ，Ｈ ａｐｎ ｉ
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。
第九章外压容器与压杆的稳定计算_化工机械设备基础
2E 2 2
42
临界应力：
crs
pcrs R e 0.605E 2 e R
临界应变：
许用应力：
crs
crs
E
0.605
e
R
pcrs e 2 e 2 p crs E crs ms ms R ms R
第九章 外压容器与压杆 的稳定计算
1
一 外压容器的失稳 二 外压圆筒环向稳定计算 三 封头的稳定计算 四 外压圆筒加强圈的设计
五 压杆稳定计算简介
六 圆筒的轴向稳定校核
2
第一节 外压容器的失稳
一 概述 1 外压容器的失稳
均匀外压——容器壁 内产生压应力； 外压在小于一定值时— —保持稳定状态；
外压达到一定值时，容 器就失去原有稳定性突然 瘪塌，变形不能恢复。
长圆筒 cr 1.1 e D 0 1.5 e D 0 短圆筒 cr 1.3 L D 0
29
2
第二步：由应变值ε，根据 不同的材料及不同的设计温 度，确定B值。公式为：
2 B E m
30
第三步：
根据B值，确定许用外压。
8.2 A 0.125 0.125 0.00057 R 1800
49
e
查图9-10得：
Bs 70MPa
8.2 [ P] BS 70 0.32 MPa R 1800
e
50
例：一台新制成的容器，图纸标注的主要 尺寸及技术特性如下： 筒体内径Di=1m；筒长L=2m；壁厚δe=10mm; 椭圆形封头的内曲面高度hi=250mm;直边高度、 h0=40mm;封头厚度δnh=10mm;设计压力（内压） p=1MPa;设计温度t=120℃;焊缝系数ψ=0.85；材 料Q235-B；腐蚀裕量C2=2.5mm。试计算该容器的许 可内压和许可外压。
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。
外压容器的稳定性
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
2
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
3
二、临界压力的概念
容器受外压失稳的实质是容器的一个平衡状态跃变到另一个平 衡状态——容器的应力由单纯的压应力状态跃变到主要是弯曲 应力状态
容器失稳时的压力——临界压力pcr 对应pcr的周向压应力——临界应力σcr 外压容器在工作时应满足pc≤pcr
1
nL R
2
n2
1
D 2R
x D/
y L/D
pcr
E x
n4
12.2 n2 1
0.73 n2 1
y4
x2
0.3
d pcr 0
dn
n
4
7.06x y2
e
D0
t s
e Dmax Dmin 0.5%DN 且e 25mm
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
18
⒉ 短圆筒的临界压力——Mises公式
pcr
R
Ee 1 2
n2 1
1 2
1
nL R
2
2
2 e
12R2
n2 1
2n2 1
1
nL R
圆筒失稳时，筒体由圆截面变成了波形截面，筒壁各 点的曲率发生变化（突变），筒体周向受到弯曲
✓ —— δ/D大，抗弯能力强
封头的刚性较圆筒高，圆筒承受外力时，封头对筒体 起着一定的支撑作用。
✓ —— 封头的支撑作用随着圆筒几何长度的增加而减弱
《化工设备设计基础》——第十一章 外压容器
12
✓ 当筒体的长度增加到一定限度后，封头的支撑作用 消失
2
✓ 在圆筒壳的几何尺寸及材料性能值已知的情况下，对不同的
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
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=1.11Do/S 、〈〉2.5 一 D 短圆筒：Pcr=2.59E —LD 4、许用外压力:[p]=BSe/Do2、 长圆筒：Pcr=2.2E3、 3四、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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•实验前的预备知识：
•外压容器失稳实验是过程装备与控制工程专业的主要实验之 一。所谓失稳是指承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到 某一数值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波 纹，载荷卸去以后，壳体不能恢复原状，这样的现象称为外 压壳体的失稳或屈服。对于壁厚与直径比很小的薄壁回转壳， 失稳时器壁的压缩应力通常低于材料的比例极限，这种失稳 称为弹性失稳，本实验就属于弹性失稳的情况。
E — 弹性模量，碳钢E = 0.196 ×10（MPa）
6
μ —泊松比，碳钢μ=0.3 （关于以上公式的推导请详细参阅《过 程设备设计》中第二章、压力容器应力 分析，2.4节壳体稳定性分析中的内容）
• 三、实验装置： • （a） ADS801型压力变送器 • （b） WAQ2-30V3A直流稳压电源 • （c） 数据采集卡 • （d） 游标卡尺，测厚仪
四、实验步骤： 1、 准确测量试件的长度，直径和壁 厚，每隔测量一次取其平均值。 2、 将试件放入实验装置的受压缸中， 放入支撑管，将垫圈紧扣在试件边缘 用压盖紧固以达到密封的作用。 3、将压力变送器引出线与数据采集 卡连接（这里一定要保证连线的正确， 否则将损坏实验仪器），开机调试。
4、 均匀缓慢的升压，观察压 力表上的读数，指针下跌时压 力既是该容器的临界压力，同 时观察计算机所绘的压力—时 间曲线图。 5、 打印实验结果，关闭仪器， 卸压后取出试件，观察试件失 稳现象
• 临界压力与波数决定于容器长度与 直径的比值及壁厚的直径比值。 （对于给定外直径D0和壳壁厚度t的 圆柱壳，波纹数和临界压力主要决 定于圆柱壳端部边缘或周向上约束 形式和这些约束之间的距离，既临 界压力与圆柱壳端部约束之间距离 和圆柱壳上两个刚性元件之间距离 L有关。）
•按照失稳情况，受外压的圆筒形外壳体有长圆 筒、短圆筒之分，长圆筒失效时变形波数为2， 短圆筒试失效时变形波数大于2。我们用理解长 度来划分长短圆筒，当其长度大于临界长度则属 于长圆筒范围，反之属短圆筒范围。临界长度公 式为：
五、实验报告要求 1 、 分析整理记录数据。 2、 按公式计算临界长度，从 而确定容器类型。 3、 计算临界压力的理论值， 并与实验比较，计算其误差 大小，并分析其原因。
4、对计算机输出的P-t图形与理 论图形比较，进行简单的分析。
本实验结束
Hale Waihona Puke Lcr = 1.17D D So ） （cm
刚制长圆筒临界压力公式为：
So Pcr = 2 .2 E D
（MPa ）
3
刚制短圆筒临界压力公式为
变形波数：
n=
4
7 . 06 2 (L D ) (So D )
以上诸公式中：
So—圆筒的壁厚，（cm） D—圆筒中径，（cm）
L —圆筒的长度，（cm）
外 压 容 器 失 稳 实 验 中 失 稳 的 试 件
一、实验目的： 1、观察薄壁容器在外压作用下丧失稳定 的现象。 2、测定圆柱形薄壁容器在外压作用下丧 失稳定的临界压力，并与理论值进行 比较，以验证临界压力公式。
• 二、实验原理： • 圆柱形容器在受内压作用时，当容 器的应力超过极限强度时，便引起容 器的破坏。对于在某一外压作用下的 容器，往往强度能满足要求，既容器 内的压应力还未达到材料的极限强度 时，壳体突然失去原形而出现被压瘪 的现象，此时壳体横截面由原来的圆 形被压瘪呈现几个波形。薄壁容器在 失稳前所能承受的最大外压力称为临 界压力，