内外压容器实验指导书(BZ10).doc

内压薄壁容器应力测定实验

实验指导书

北京化工大学机电学院
过程装备与控制工程系

实验一、内压薄壁容器应力测定实验
一、实验目的
1．掌握电阻应变测量原理；
2．学习电阻应变仪的使用方法，学习电阻应变片的贴片和接线技术；
3．了解封头在内压作用下的应力分布规律。
二、实验原理
1. 应力计算：
薄壁压力容器主要由封头和圆筒体两个部分组成，由于各部分曲率不同，在它们的连接处曲率发生突变。受压后，在连接处会生产边缘力系——边缘力矩和边缘剪力。使得折边区及其两侧一定距离内的圆筒体和封头中的应力分布比较复杂，某些位置会出现较高的局部应力。利用电阻应变测量方法可对封头和与封头相连接的部分圆筒体的应力分布进行测量。
应力测定中用电阻应变仪来测定封头各点的应变值，根据广义虎克定律换算成相应的应力值。由于封头受力后是处于二向应力状态，在弹性范围内用广义虎克定律表示如下：
经向应力： (1-1)
环向应力： (1-2)
式中：E—材料的弹性模量
μ—材料的波桑比
ε1—经向应变
ε2—环向应变。

椭圆封头上各点的应力理论计算公式如下：
经向应力： （1-3）

环向应力： （1-4）
2．电阻应变仪的基本原理：
电阻应变仪将应变片电阻的微小变化，用电桥转换成电压电流的变化。其过程为：

将
将电阻应变片用胶水粘贴在封头外壁面上，应变片将随封头的拉伸或压缩一起变形，应变片的变形会引起应变片电阻值的变化，二者之间存在如下关系：
(1-5)
式中：ΔR/R—电阻应变片的电阻变化率
ΔL/L—电阻应变片的变形率
K—电阻应变片的灵敏系数；
ε—封头的应变。

3. BZ2205C型静态电阻应变仪
1) 电阻应变仪的组成：
(1) 构件变形的感受和转换部分——电阻应变片；
(2) 被转换量的传递和放大部分；
(3)记录及读数部分。其方框图见图1-1。

图1-1 电阻应变仪原理图

图1-2接线图
三、实验装置
实验装置（图1-1）为两个带有不同封头的容器，容器A的一端为带折边锥形封头，另一端为圆平板封头；容器B的一端为椭圆封头，另一端为球形封头。

1. 手动试压泵 2. 内压实验容器A 3. 压力表 4. 压力传感器
5. 内压实验容器B 6. 压力表 7. 压力传感器 8. 外压实验罐
9. 压力表 10. 压力传感器
图1-1

内压实验容器A的椭圆形封头部分尺寸如图1-3所示，容器材料均为0Cr18Ni9。

图1-3 椭圆封头

表1-1各测点离椭圆封头顶点距离 [mm]
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
距离
0
40
80
120
150
170
190
210
230
250

应变片的布置方案是根据封头的应力分布特点来决定的。封头在轴对称载荷作用下可以认为是处于二向应力状态，而且在同一平行圆上各点受力情况是一样的。所以只需要在同一平行圆的某一点沿着环向和经向各贴一个应变片即可。本实验中采用10个T形应变片布置在封头上，位置见图1-3。各点离封头顶点距离见表1-1。每个T形应变片上有两个相互垂直成T形排列的敏感栅，可分别用来测量环向应变和经向应变。
本实验中所用应变片之电阻值为120Ω，灵敏度系数为K__2.05_____。

四、实验步骤
(一)应变仪测量步骤：
1．打开内压实验容器的进水阀，关闭外压实验容器进水阀；
2．检查各接线是否正确、牢固；
3．打开应变仪电源；
4．检查应变仪是否工作正常；
5．按所贴应变片设定应变片灵敏系数K（没有变化时跳过）；
6．选择调零，检验各点初值是否为零；
7．用试压泵向容器加压，分别加压至0.2，0.4，0.6MPa，并测量相应压力下各点之应变值，并记录；
（二）联机测量步骤：
1.启动实验主程序，选择内压实验；
2. 选择实验封头后确定，进入测量程序；
a.点击“平衡”按钮，应变仪进行平衡；
b.点击“测量”按钮，读入应变初读数，（若读数不为零，重复a.b. 步骤）
c.点击“清空数据”按钮，清空数据库文件；
d.改变实验压力，分别为0.2、0.4、0.6MPa;
e.点击“测量”按钮，测量各实验压力下实验数据；
f.点击“记录”按钮，将数据写入数据库文件。
3．点击“设置”按钮，可对应变仪进行参数设置（应变仪脱机测量的设置，请参照BZ2205C静态电组应变仪使用说明书）；
4.测量完成后，关闭内压实验容器的进水阀，点击“退出”按钮，退出测量程序，返回实验主程序，点击“数据处理”进入数据处理窗口；
a. 选择内压实验，选择实验封头后确定，进入应力计算程序；点击“读取数据”按钮，弹出“选择数据文件“对话框
b.选择数据文件：
处理数据库文件（现场实验）数据 --1；
处理文本文件 （旧的实验）数据 --2；
c.点击“计算”按钮，计算应变修正值和应力值；
d.点击“画图”按钮，进入“绘制应力曲线“窗口；
e.点击“打印”按钮，打印页面内容图象；
f. 点击“导出数据”按钮,将测量的应变值写入文本文件，可以用记事本打开、编辑和打印所存的文件；
g. 点击“返回”按钮,退出数据处理窗口。
五、实验数据整理
1．根据原始记录，用方格纸绘出各测点的P-ε曲线。因为是在弹性范围内，所以都应该是直线，并由此图求得在0.6 MPa压力下应变修正值；整理成表格。
2．用应变修正值按式(1-1)和式(1-2)计算在0 .6MPa下各点的应力值，填入表1-2。

表1-2 数据表
应
变
值
序
号

0.2（Mpa）
0.4（Mpa）
0.6（Mpa）
0.6（Mpa）
经向应变ε1
环向ε2
经向ε1
环向ε2
经向ε1
环向ε2
应变修正值
应力值
με

με
με
με
με
με
ε1
ε2
σ1
σ2
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

六、实验报告要求
1．简述实验目的、原理及装置；
2．整理实验数据并计算在0.6MPa下各点的应力值；
3．用0.6MPa下的应力值绘封头应力分布曲线；
4．利用所学理论解释封头的应力分布状况；
5．存在问题讨论。

附录：封头形状、测点分布和应力计算公式
一、 带折边锥形封头
1．测点分布图

各测点至锥形封头顶点距离 （mm）
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
距离
40
80
120
160
200
230
260
280
300
320

2． 对于带折边锥形封头进行设计时，采用下列两式中较大的壁厚t值：

二、 球形封头
1．测点分布图

测点至球形封头顶点距离 （mm）

序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
距离
0
50
100
150
200
250
280
300
350
370

2．应力理论计算公式

三、 圆平板封头
1．测点分布图

测点至平板封头中心距离 （mm）
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
距离
0
25
50
75
100
125
150
175
200
250

2．应力理论计算公式：

实验二 外压薄壁容器的稳定性实验
一、实验目的：
1．实测园筒形容器失稳时的临界压力值，并与不同的理论公式计算值进行比较。
2．观察外压薄壁容器失稳后的形态和变形的波数。
二．基本原理
园筒形容器在外压力作用下，常因刚度不足失去自身的原来形状，即被压扁或产生折皱现象，这种现象称为外压容器的失稳。容器失稳时的外压力称为该容器的临界压力。对园筒形容器丧失稳定时截面形状由园形跃变成波形，其波形数可能是2、3、4、5、……等任意整数。
外压园筒依其临界长度为界为长园筒、短园筒和剐性园筒。
1． 筒的临界长度公式为：
（2-1）
（2-2）
式中：D——园筒的中径mm
S0——园筒的计算壁厚mm
E——材料的弹性模数MPa
σS——气材料的屈极限MPa
当圆筒长度L > L临 时，属于长圆筒；
当圆筒长度L ：L’临 < L < L临 时，属于短圆筒；
当圆筒长度L < L’临 时，属于刚性圆筒。
L——圆筒计算长度（系指圆筒两个刚性构件间的距离）
本试验中试件的计算长度L是指从顶盖下表面到试件底部的圆弧过渡部分的距离处。
2． 筒的临界压力计算公式
（1）长圆筒的临界压力计算公式
（2-3）
（2）短圆筒的临界压力计算公式
R.V.Mises公式
（2-4）

B.M.Pamm公式

（2-5）
式中：μ——材料的波桑系数;
R——圆筒的中间面半径 cm ;
n——波数；
L——圆筒计的算长度 cm 。
(3)利用外压园筒的图算法计算其临界压力。
3. 波形数的计算公式

（2-6）

三．实验装置：
实验装置如图2-1

1. 手动试压泵 2. 内压实验容器A 3. 压力表 4. 压力传感器
5. 内压实验容器B 6. 压力表 7. 压力传感器 8. 外压实验罐
9. 压力表 10. 压力传感器
图2-1

四．实验步骤
（一）测量试件参数
1．实际长度、园弧处内部高度、翻边处高度
2．外直径、内直径
3．壁厚
将所测尺寸填人表2-1内：

表2-1 试件尺寸记录表 单位：mm
试件编号
外径
内径
壁厚
实际长度
圆弧处
内面高度
翻边处
高 度
计算长度
1

2

（二）实验台阀门操作
1. 打开外压实验罐进水阀，关闭内压实验罐进水阀；
2. 使容器内水位在上封头与接管的连接处；
3. 将测量好的试件装入容器；
4．进入实验主程序，点击“实验选择”按钮， 选择“外压薄壁容器的稳定性实验”菜单，点击“确认”按钮，进入“外压薄壁容器的稳定性实验”画面，点击“开始实验”按钮，进入实验画面；
7．单击“开始”按钮，单击“纪录”按钮；
8．通过手动试压泵给加压罐缓慢连续加压，直至试件失稳为止；
9．试件时稳后，关闭外压实验罐进水阀；
10．取出试件，观察和记录失稳后的波形及特点；
11．进入数据处理程序可计算临界压力等数据。
五．实验报告内容及要求
1．简述实验目的、原理及装置；
2．按比例绘制式件失稳前后的横断面形状图；
3．用R．V．Mises公式、B．M．Pamm公式分别计算试件的临界压力值。
4．用近似公式计算试件变形波数。
5．将理论计算值和实测值填入表2-2内。
6．对实验结果进行讨论和分析。

表2-2实验数据表
试件编号
试件尺寸 mm
实测P临MPa
理论计算P临 MPa
波数
L
D
S
L/D
D/S
仪表测
目测
Mises
Pamm

实测
计算
1

2

14