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实验四 内压薄壁容器应力测定实验
一、 实验目的
1、 了解电阻应变片测量压力容器应力的基本原理与测试技术；
2、 测定内压薄壁容器筒体及各种封头上的应力大小；
3、 比较实测应力与理论计算应力，分析它们产生差异的原因。
二、 实验设备和仪器
1、 HJSO2型内压容器应力测试实验台如图1，装置测试压力为0～15kgf / cm2 ；

图 1 应力测试实验台

1、电源信号灯 2、电机开关按钮 3、容器（5）进出口节流阀 4、左压力表
5、球形、椭圆形容器 6、油泵压力表 7、锥形与平盖容器 8、右压力表
9、容器（7）进出口节流阀 10溢流阀 11、电源控制箱 12、电机油泵油箱
装置主要参数如图2、3，

图 2
图 3

筒体及封头使用材料： Q235钢
封头形式：锥形封头、平盖、半球封头、标准椭圆封头
材料弹性模量： E＝2.06×105Mpa 泊松比：μ＝0.3
锥形封头的锥顶角：2α＝60°±1°
2、 YJ－33型静态电阻应变仪和YZ－22型转换箱
YJ－33型静态电阻应变仪使用前开机预热30分钟，对“灵敏系数”、“通道选择”、“检测通道”、“通讯方式”等参数进行设定，然后进行仪器的“标定”。
YZ－22型转换箱的面板见图2。
“序号拨盘开关（1）”可将序号在00～99之间任意设定，每台转换箱都有两个该开关，无论使用单台或是多台转换箱，序号都不得重复。本实验的应变片采用半桥接线，所以将“全桥、半桥选择开关（2）”拨至半桥。应变片与转化箱连接方式见图3。

图 2 YZ－22转换箱面板
1、序号拨盘开关 2、全桥、半桥选择开关 3、测定点指示器 4、接线柱 5、接线柱 6、接地7、控制讯号连接插座 8、桥压讯号输出插座

图 3 半桥单片（公共补偿）
应变仪与转换箱的连接方式见图4

图 4 应变仪与转换箱连接示意图
3、 其它实验用具
应变片、502快干胶、电烙铁、活性锡丝、松香、万用表、螺丝刀、绝缘胶布、丙酮、脱脂棉、镊子、玻璃纸、钢尺、蜡烛、剪刀、纱布。
三、 实验原理
轴对称薄壁容器在内压作用下，器壁呈平面应力状态，在弹性变形范围内，其主应力与主应变分别为呈轴向和周向的两向应力状态，且遵循广义虎克定律。即：
（1）
（2）
式中：、——径向应变和周向应变；
、——径向应力和周向应力，单位Mpa；
E——材料的弹性模量，E＝2.06×105 Mpa；
μ——材料的泊松比，取0.3.
图 5 丝绕式电阻应变片
本实验采用的是两个敏感栅成90°的双轴应变花，其单个敏感栅的结构如图5所示，B为敏感栅宽度，L为敏感栅长度。其工作原理是利用金属丝的电阻随其变形而变化的电阻应变效应而工作的。由物理学可知，电阻丝的电阻R和其长度L，截面积F及电阻率ρ有下列关系：

当电阻受到拉伸变形时，如图6，长度、截面积、电阻率分别改变了ΔL、ΔF、Δρ，因而电阻也改变了ΔR，由数学分析可近似得到

图 6 电阻丝的拉伸变形

其中，那么上式整理简化得：

KS 为电阻丝的灵敏系数。因受粘结剂、基底、横向布置的电阻丝的变形等的影响。将其综合表达为：

K为电阻应变片的灵敏系数，一般由厂家给出，其范围在1.7～3.6之间。因此只要在测点沿轴向与周向贴上应变片，将温度补偿片贴在一块与容器材料相同的铁片上并放置在实验台上以消除温度效应影响，然后按图3将应变片与转换箱连接，并按图4将应变仪与转换箱正确连接，对容器进行加、卸压，在应变仪或电脑上读出各测点的应变值，代入公式（1）及公式（2）中即可求得该点的实测应力值。
图 7
本实验在测量应变时采用的是半桥接线法，如图7所示，温度补偿采用补偿片补偿的方式。电阻R3、R4在转换箱内部，也是阻值为120Ω的标准电阻。在转换箱外只使用了由工作片R1、补偿片R2 组成的半个电桥，因而称半桥法。补偿片R2是与工作片R1类型、阻值、灵敏系数完全相同的应变片，它与工作片R1处于相同温度下，且粘贴在与被测构件相同材质的一块材料上。当温度变化时，工作片的阻值发生改变ΔR，而补偿片阻值同样改变ΔR，由于相邻电桥相互抵消，那么工作片由温度变化引起的应变值将由补偿片抵消，所以应变仪所显示的只是被测构件因受力引起的应变值。
四、 实验步骤
1、 熟悉实验设备及原理，接通YJ－33应变仪电源，打开应变仪，预热30分钟。
2、 贴片：
1） 选10个测点，一般封头各选4点，筒身2点，测点尽量在同一纵向的通过筒体轴线的竖直截面上；
2） 用砂轮机或锉刀清除表面油漆，氧化皮，污垢；
3） 用砂纸在与应变片长度方向成45°的方向交叉打磨测点直至表面无明显缺陷，打磨面积应为应变片的3～5倍；
4） 用钢尺及划针，划出十字现确定测点位置；
5） 测量测点至筒身最高点得垂直距离；
6） 用棉花蘸酒精或丙酮对测点表面进行清洁，直至棉球无黑迹为止；
7） 取出应变片检查是否完好，然后在应变片粘贴面均匀涂上502胶水，一手捏住引线放到测点，并覆盖上一层玻璃纸，另一手拇指或食指轻轻滚压应变片，切勿旋转或错动，不要用力过大，一面应变片移位或是引线被拉断，这样挤出气泡和多余的胶水；
8） 按住直至应变片粘紧，等待一段时间至胶水干燥固化，需要注意的是应变片的粘贴方向应该一致，便于布线，减少接线错误；
9） 在应变片引线测粘贴接线端子，并将应变片引线焊接在端子上；
10） 检查应变片贴合是否良好、位置是否正确、有无气泡；
11） 检查应变片有无断路，用万用表检查应变片电阻值是否有变化，用兆欧表检查应变片绝缘是否良好。

3、 接线：
1） 导线编号。导线两端应贴上相同号码的标签，避免连接时接错线；
2） 将单号（或双号）全部与轴向应变片对应焊接固定，将双号（或单号）全部与周向应变片对应焊接固定，便于数据记录；
3） 用锡焊按图3所示连接转换箱与应变片，待焊锡冷却凝固后，轻轻扯动导线检查是否焊接牢固，如有虚焊或脱焊现象应重新焊接；
4） 检查焊接顺序是否正确，应变片的引线是否在焊接后有脱落现象，如有脱落需按前述步骤重新贴片。
4、 测试：
经教师检查贴片及接线正确后，方可以进行测量。
1） 确定应变仪充分预热后，设定参数及标定值；
2） 将转换箱“全桥、半桥选择开关”拨至“半桥”。如仅用一台转换箱，则将“序号拨盘”设定为00、01；如同时使用多台转换箱，则按顺序将“序号拨盘”设定为00、01、02、03……依次类推。注意：序号不可重复。
3） 接通实验台电源，打开溢流阀5与出油阀1、4。如图8。

图 8 液压控制原理图

4） 启动油泵，调节溢流阀5将总管压力升至1Mpa以上，打开进油阀2、3，调节出油阀1、4，将容器压力升至0.8Mpa以上，保持一段时间，以排空管道及容器内空气；
5） 调节溢流阀5，对容器及管路增、卸压数次，压力应大于0.8Mpa；
6） 打开电脑，双击桌面上“YJ－33接口软件”快捷图标打开接口软件，设置系统参数及通讯参数，选择自动保存，建立自己的文件夹；
7） 将容器压力降为零点击接口软件中“运行”按钮，在弹出窗口中点击“通讯”按钮进入联机通讯状态；按动应变仪的方向键，选择液晶屏中“联机通讯”，按“确定”按钮；
8） 点击软件窗口中“调零”按钮调零；
9） 点击“测量”按钮，待显示出数据后记录，这些数据为初始值ε初；
10） 将容器压力升至0.2MPa，点击软件窗口“测量”按钮，记录所示数据ε加；
11） 再将容器压力降为零，点击软件窗口“测量”按钮，记录所示数据ε卸；
12） 按照步骤9、10、11测量三次该压力下的应变值；
13） 按照步骤9、10、11、12，测量并记录容器压力分别为0.5 MPa，0.8 MPa时的应变值ε初、ε加、ε卸；
14） 将溢流阀5、出油阀1、4全开卸压，关闭油泵，关闭实验台电源；
15） 点击软件窗口“结束”按钮，退出联机通讯，点击“关闭”按钮关闭运行窗口，退出软件，关闭电脑；
16） 关闭应变仪电源，清理现场。

五、 实验数据处理
1、 实测应力大小的求取见实验原理部分；
2、 筒体和各封头的理论应力计算是根据中低压容器的薄壳理论和平盖理论，公式见教材；
3、 误差计算：
应力的绝对误差 ＝
应力的相对误差 ＝

六、 实验报告要求
1、 实验日期、指导教师、同组实验人员；
2、 实验目的；
3、 主要实验仪器型号及名称；
4、 布片图；
5、 简单实验步骤；
6、 实验原始数据记录（如报告表1）；
7、 计算过程举例（要求每人用不同的数据进行计算）；
8、 计算结果列表（如报告表2）；
9、 分析、讨论与建议。

实验五 外压薄壁圆筒形容器失稳实验
一、试验目的：
1. 观察薄壁圆筒形容器在外压作用下丧失稳定性后的形态。
2. 测定圆筒形容器失去稳定性时的临界压力并与理论值相比较。
二、试验原理：

圆筒形容器在外压作用下，常因刚度不足使容器失去原有形状，即被压扁或折曲成波形，这就是容器的失稳现象，容器失去稳定性时的外压力，成为容器的临界压力，用 表示。圆筒形容器失去稳定性后，其横截面被折成波形，波数可能是1，2，3，4，……等任意整数,如图一所示。

图一 圆筒形容器失去稳定后的形状

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，它们的临界压力值大小主要与厚壁()，外直径()，长度（）有关。亦受材料弹性模数()，泊桑比()影响。所谓长圆筒，短圆筒之分，并不是指它们的绝对长度，而是与直径壁厚有关的相对长度。一般长圆筒、短圆筒之间的划分用临界长度表示。如容器长度>为长圆筒，反之为短圆筒。临界长度由下式确定：

长圆筒：长圆筒失稳时的波数=2，临界压力仅与有关，而与无关。值可由下式计算：

短圆壁：短圆筒失去稳定性时，波数>2,如为3，4，5……，其波数可近似为：

临界压力可由下式计算：

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。

三、实验装置：

图二 外压圆筒失稳装置实验
1-横梁 2-压紧螺母 3-密封螺母 4-压紧法兰 5-垫片
6-外压圆筒 7-心轴 8-圆筒底垫块 9-透明容器 10-工作台

四、实验步骤及注意事项：
1. 测量试件的有关参数：壁厚()，直径()，长度（）。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。
2. 按图二所示安装实验设备，先用手摇泵将透明容器内的水升至容器的约三份之二处;将外压圆筒试件6置于平板顶盖上，试件与平顶盖间用垫片5密封（试件折边上下各放一垫片）；用压紧法兰4通过四个密封螺母2将试件压紧到平板顶盖上。
3. 将圆筒底垫块8 (一大一小) 置于外压圆筒底部，把用心轴7置于圆筒底垫块的中心孔中,再将横梁1压在心轴7上，通过两个压紧螺母2上紧 (用手旋紧既可)；以此抵消试件承受的轴向载荷。
4. 用手摇泵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（即有轻微响声时的瞬间压力,此压力为临界压力）。失稳后不可再升压。
5. 打开手摇泵的开关卸压，待压力为零后取出试件，观察失稳后试件的形状并记下波纹数。
6. 关上手摇泵的开关，清理好实验备件和工具。
五、实验报告：
1. 列出测量所得的试件几何尺寸数据。
2. 验算波纹数。
3. 计算容器的临界压力并与实测值进行比较。
4. 讨论、分析试验结果，分析误差原因。

实验六 厚壁圆筒爆破及测试实验

一、试验目的
1.测定圆筒塑性变形开始和结束时的屈服压力值；
2.测定圆筒破坏时的爆破压力，并通过计算验证理论公式；
3.了解过程装备控制专业数据自动采集测量系统基本单元的原理。
二、试验原理
1． 屈服压力值的理论计算：
（1） 屈服压力

（2） 全始屈服压力（材料为理想弹塑性）

2． 爆破压力值的理论计算：
承受内压的高压筒体，其爆破压力计算方法有如下几种：
（1） 公式：
（2） 中径公式：
（3） 最大主应力理论
（4） 最大线应变理论
（5） 最大剪应力理论
（6） 最大变形能理论
以上式中符号意义详见现教材“过程设备设计” 教材和王志文主编的“化工容器设计”以及余国宗主编的“化工容器及设备”。

压力与流量变化的关系
3．爆破试验原理过程：
塑性材料制造的压力容器的爆破过程如右图所示，在弹性变形阶段（线段），器壁应力较小，产生弹性变形，内压与容积变化量成正比，随着压力的增大，应力和变形不断增加；到点时容器内表面开始屈服，与点对应的压力为初始屈服压力；在弹塑性变形阶段（线段），随着内压的继续提高，材料从内壁向外壁屈服，此时，一方面因塑性变形而使材料强化导致承压能力提高，另一方面因厚度不断减小而使承压能力下降，但材料强化作用大于厚度减小作用，到点时两种作用已接近，点对应的压力是容器所能承受的最大压力，称为塑性垮塌压力；在爆破阶段（线段），容积突然急剧增大，使容器继续膨胀所需要的压力也相应减小，压力降落到点，容器爆炸，点所对应的压力为爆破压力。
三、实验装置与工作原理
1．实验装置
本仪器中的液体介质油的吸入、压缩与排出是通过活塞腔容积的周期性变化而实现的。电机接入电源后进入正常运转，通过减速器带动偏心轮传至十字头滑块，活塞柱通过滑快与导向杆相连（导向杆在导向套内）做往复运动，当缸内处于低压状态时吸入介质油，活塞杆压缩时，泵内高压流体经过止回阀向爆破试件中输送，使爆破试件中内压不断升高。
2． 工作原理
本系统的压力增升原理图1所示，活塞杆9在缸内作往复运动，介质油通过进口单向阀5吸入缸内，活塞柱向缸内推进时，进口单向阀5关闭，介质油通过出口单向阀6流进爆破试件中。压力表4下面装有单向阀7，目的是为了在试件瞬间爆破时保护压力表（试件爆破后压力表数值仍旧保持）压力信号由压力传感器12通过接口13传送至计算机。

四、试验操作步骤及注意事项：
1．了解试验装置的结构（包括高压爆破教学试验台操作方法、压力传感器、 数据采集卡、转换器等计算机硬件接口以及测试软件的位置和功能）。
2． 测量尺寸：在爆破试件的上、中、下不同圆周方向上，测量外径三次；内径为已知值（试件材料为φ42×3的20号无缝钢管加工而成，根据不同的理论公式计算可得到不同的理论爆破值。）
3．操作步骤：
（1） 关闭卸荷阀10与11（即面板上左右支阀），观察仪器面板上的油标，看油缸中是否有足够的介质油，若油缸中油不足，可从导油杯2中直接加油（一般机油即可）。
（2） 启动电机前，须对试验机的十字头滑块、活塞杆等运动磨损件加油润滑；开机后待爆破试件接口3处有油溢出，再关闭电机。
（3） 将测量好欲爆破的厚壁圆筒试件预先灌满油（必须排除里面的空气），在出口上贴上一层薄纸（ 防倒转后漏油），倒转后快速旋到爆破试件接口上，用管子钳上紧，罩好保护罩。
（4） 打开计算机，点击桌面“ ”进入随机信号与振动分析系统；再点击“数据采集及处理”，进入“”界面。
（5） 点击“作业”在文件名编辑栏输入要创建的新文件名，见图3，然后点击“打开”

图3 创建的新文件名的界面

（6） 点击“参数设置”，弹出“参数设置”对话框，选项“采样频率”选择1280；“工程单位”选择；再选择“校正因子”，见图4。

图4 设置各参数的界面

（7） 确定上述选项后进入“趋势图”菜单，在它下面有“时间设置”、“趋势采集”、“趋势显示”和“设置截距”四个子菜单。在“设置时间”对话框有“请输入总时间”，单位是秒，输入估计此次实验所用总时间；“间隔记录时间（≥200ms），单位是毫秒，选200的倍数，一般输入“200”；在“设置截距”中的每个通道对应的零工程单位对应的毫伏数为“1000”，对应通道数为“1”，如图五。

图五 趋势图菜单设置各参数的界面

（8） 确认完上述参数后，点击“趋势采集”子菜单，此时打开实验机的泵电源，微机将跟踪爆破试件整个实验过程的压力变化直至爆破。
（9） 试件爆破后关闭电源，将计算机中本次实验创建的新文件名存盘，打印出整个实验过程曲线和有关记录；将爆破后的厚壁圆筒试件拆下。

五、实验报告：
1． 讨论分析试件破坏的情况；
2． 将实测的爆破压力和各种理论公式的计算结果进行比较，并进行分析讨论。

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