外压容器失稳实验

外压容器失稳实验

一、实验目的
1. 观察薄壁圆筒形容器在外压作用下丧失稳定后的形态，从而区别及掌握容器在外压作用和内压作用下的变形和破坏的实质。
2. 测定薄壁圆筒形容器在外压作用下失去稳定性时的临界压力，并与理论值相比较。
3. 观察薄壁圆筒形容器在外压作用下，轴向力对失去稳定性的影响。

二、实验原理
圆筒形容器在外压作用下，常因刚度不足使容器失去其原有形状，即被压扁或折曲成波形，这就是容器的失稳现象。容器失稳时的外压力称为该容器的临界压力PCr， 其横截面被折曲成波形，波数n可能是2，3，4，5……等任意整数，如图一所示：

 

 

 

                   图一     圆筒失去稳定后的形状
筒形容器的临界压力PCr的大小主要决定于容器的几何尺寸（L、D、S）及所用材料的性质（μ、E）的影响，壳体椭圆度与材料的不均匀性，能使临界压力PCr的数值降低。
外压容器根据筒体的长短，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。一般长圆筒、短圆筒之间的划分用临界长度LCr表示，如容器长度L>LCr为长圆筒，L                                                           （1）
                                                   
1． 长圆筒：失稳时波数为n=2，临界压力仅与S/D有关，与L/D无关，计算式为：
                                                       （2）
2．短圆筒：失稳时波数为n>2,如为3、4、5……，其波数n可近似地为：

                                                          （3）
                                    
临界压力PCr的计算公式为：

                                                     （4）

或用最小PCr的近似计算式计算：
                                                      MPa  （5）

公式（4）、（5）必须符合下列条件才能适用：
（1）圆筒器壁中所产生的应力低于在操作温度下的屈服限，即σCr<σSt；
（2）椭圆度e<0.5％；
如不符合上述条件，则改用下面公式计算：

                                                      MPa  （6）
对于外压容器临界压力的计算，有时为了计算方便，可借助于一些现成的计算图来进行。

三、实验设备及工具
1． 实验设备见图二
2． 工具：游标卡尺一把，千分卡一把，外卡一个，扳手两把。
3． 实验用搪瓷口缸毛坯，材料为A3。

四、实验步骤：
1． 实验前测量试件有关参数：L（长度）、S（壁厚）、D（直径）；
2． 按图二所示安装实验装置，先将试件9置于平顶盖4上，试件与平顶盖间用密封垫7密封，再用固定铁块8将试件压紧，然后，将平顶盖置于筒体3上，用螺栓上紧。
在测试加以轴向力以抵消试件受外压时的轴向载荷时，由平顶盖孔内将心轴6装入与试件底部贴紧，最后用压板5将心轴压紧。
3． 开启阀门注入水压（亦可预先加水），加压时务必要注意压力表的读数和试件在有心轴和无心轴时丧失稳定的情况，记下丧失稳定时的压力（即PCr）。
4． 卸压，取出试件，观察失稳后试件的形状，并记下波数n。
5． 实验完毕，排除筒体内的积水，清理好实验设备。

1.试压泵；    2.压力表；   3.筒体    4.平顶盖   5.心轴压板
6.心轴；   7.密封垫；   8.固定铁块；   9.试件；  10.支架
                  图二         实验装置图

五、实验报告
1． 实验目的；
2． 实验原理；
3． 实验设备及工具；
4． 记录整理测量到的试件几何尺寸数据（L、D、S）；
5． 计算容器的临界压力与波数，并与实测值进行比较；
6． 讨论、分析实验结果。

 

表一                                              单位：mm
  测
几  量
 何    序
  参     号
   数
  （mm） 试     件     一 试     件     二
 1 2 3 4 5 平均值 1 2 3 4 5 平均值
长（L）            
内径（Di）            
外径（D0）            
中径（D） D=（Di+D0）/2= D=（Di+D0）/2=
厚度（S） S=（D0-Di）/2= S=（D0-Di）/2=
临界长度  
圆筒长度 （长、短）圆筒 （长、短）圆筒

 表二
试件序号 容器失稳时临界压力PCr与波数n 误   差   分   析
 实  测  值 理  论  值 绝 对 误 差 相 对 误 差
 PCr（MPa） n PCr（MPa） n |PCr理 - PCr实| |PCr理 - PCr实|
PCr理
         (MPa) 
         (MPa)