《过程设备设计课程实验》实验指导书制定人：杨诗斌审核人：崔政伟江南大学机械工程学院2015年11月实验一 内压薄壁容器应力测定实验一、实验目的：1．了解薄壁容器在内压作用下，筒体、锥型封头、半球封头、椭圆封头的应力分布情况；验证薄壁容器相关应力计算的理论公式。

2．熟悉和掌握电阻应变片粘贴技术的方法和步骤。

3．掌握用应变数据采集测量仪器测量应变的原理和操作方法。

二．实验任务1． 列表记载各项数据（附表记载内压薄壁容器应变值测定结果）。

2． 根据测定结果计算出各点压力时筒体及封头相关点的经向及环向应力。

3. 比较实验测得的应力值与理论值之间的偏差并分析和讨论。

三、实验原理1．理论计算（1）根据薄壁壳体的无力矩理论可以求得受内压的薄壁容器筒体部分的应力值：经向应力（轴向应力） t t D p i 4)(+=ϕσ 环向应力（周向应力） tt D p i 2)(+=θσ （2）锥形壳体部分的应力（相关尺寸见右图，ɑ=30°） 22cos pxtg prt t ϕασα==2cos pR pxtg pr t t t θασα=== 锥形壳体上经向应力、周向应力与x 呈 线性关系，离锥顶越远应力越大；（3）半球封头上各点的应力θσ=tt D p i 4)(+=ϕσ （4）椭圆封头上各点的应力（相关尺寸见右图a/b=2）在壳体顶点处2212(0,),,2a pa x y b R R b btθϕσσ======;式中：p —容器所受内压力（MPa ） i D －容器内直径（mm ）t －容器壁厚（mm ） ϕσ－经向应力 θσ－环向应力2．实验测定：（1）应力测定的基本原理：薄壁容器受内压后，器壁各点均处于两向受力状态，当其变形在弹性范围以内，容器壁各点的应力应变符合虎克定律，即：)(12t x x Eμεεμσ+-=)(12x t t Eμεεμσ+-=故只要测得容器壁的径向应变和环向应变，即可根据虎克定律求得x σ和t σ（304不锈钢弹性模量和泊松比分别为0.195和0.3）。

（2）用电阻应力仪测量应变的原理：电阻应变测量法是测定压力容器筒壁应变的常用方法之一。

其测量装置由三部分组成：即电阻应变片，连接导线和电阻应变仪。

常用的电阻应变片是很细的金属电阻丝粘于绝缘的薄纸上而成。

见图一所示，将此电阻片用特殊的胶合剂贴在容器壁欲测之部位。

当容器受内压作用发生变形时，电阻丝随之而变形。

电阻丝长度及截面的改变引起其电阻值的相应改变，则可以用电阻应变仪测出电阻的改变，再换算成应变，直接由应变仪上读出。

电阻丝的应变与电阻的改变有如下的关系：llK R R ∆=∆ 式中： R R∆—电阻丝单位电阻改变ll ∆—电阻丝单位长度改变（如电阻片与器壁完全一起变形，即无器壁之应变。

）K —灵敏系数，与电阻丝的物理性质有关，对于一定的电阻片而言，K 为常数。

由于电阻丝的电阻R 和K 值对于一定的电阻片为一已知值，故只要测得ΔR（电阻丝图1 应变片结构简图电阻改变）就可以求出ε值。

电阻应变仪是采用电桥测量原理测出ΔR 并换成με（即为6101）的变形量。

简单的电桥测量原理见图2.图中：测量电阻-M R 补偿电阻-K R桥臂电阻-1R －保护电阻Z R可调桥臂电阻-R当电桥平衡（即检流计中无电流通过）时：1R R R R KM =或 K R R R K M 1=当M R 有△M R 变动时（如电阻应变片电阻丝由于变形而发生阻值的改变），可调电阻R 改变△R 后使电桥重新达到平衡。

把△R 换算成με，就可以直接在应变仪上读出。

补偿电阻K R 用以消除因温度影响而产生的测量误差，它与测量电阻M R 阻值相同并在同一温度条件下，但不承受载荷，故对M R 受温度影响有补偿作用。

3、实验装置试验容器的筒体内径为300mm ，壁厚为8mm ，因加工过程特别是封头挤压成型过程中壁厚减薄产生误差，具体详细尺寸如图3所示：图2 电桥测量原理图图3 筒体结构示意图四、实验方法（步骤）：1．了解试验装置（包括管路、阀门、容器、压力自控泵等在实验装置中的功能和操作方法）及电阻片粘贴位置，测量电气线路，转换旋钮等。

2．电阻片的粘贴步骤和方法：（1）根据选择的测点位置，按筒体的经线和纬线方向用划针或铅笔划出测点的位置及方向；以后再用棉球、丙酮等除去污垢。

（2）测量电阻应变片的电阻值，（电阻应变片的电阻值一般为120，相差太多不可用）。

（3）开始粘贴应变片应注意：将泵的泄压阀门打开保证筒体的压力为0；粘贴应变片的部位需清洗干净。

（4）将“502”胶液均匀分布在电阻片的背面（注意：胶液均均匀涂在电阻片反面，不可太多，引出线须向上）。

随即将电阻片粘贴在欲测部位，并用滤纸垫上，施加接触压力要用力平按，挤出贴合面多余胶水及气泡（注意：电阻丝方向应与测量方向一致，即应变片方向要保持轴向和周向；用手指按紧一分钟左右）。

（5）在电阻片引出线下垫接线端子（用胶液粘贴），用于电阻应变片的引出线和测量导线的焊接连接（测量导线和仪器的连接已由实验室准备好）；焊接过程需要绝对保证应变片的两根电阻丝不能短路，且电阻丝与筒体表面绝缘。

（6）电阻片的粘贴步骤和方法可由指导教师讲清要点和示范粘贴后再进行，所有粘贴的电阻片和焊接接线经指导教师检查合格后，再进入应变测量仪器测量的调节步骤。

3．使用HPJY-100X 静态应变测量系统进行测试（1）新建作业，新建一个作业准备进行数据采集。

（2）参数设置，分别将四个模块均设置成1/4桥，将弹性模量和泊松比分别设置为0.195和0.3。

（3）控制调零，调零后点击开始采集，观察各个测（即贴片点）的应变值，若应变值不接近为零，需要再次调零。

（4）开始采集，点开始键，开始对容器加压，在压力为1MPa时点击停止键停止，观察记录下各个测点（即贴片点）的应变值（ ）和应力值（MPa）并保存数据，继续点开始键，对容器加压力，在2MPa和3MPa时同上处理。

五、注意事项：1．对仪器、工具、药品等要注意爱惜，节约使用滤纸、棉球、丙酮、胶水、电阻片等消耗品；实验结束后，药品、工具等要加以整理和清洁。

2．应变仪属于精密电子仪器，故在转动开关及调节盘宜时要轻巧缓慢，禁止在尚未熟悉使用仪器前任意拨动开关。

3．实验准备及仪器调试完备，经指导老师检查后方可升压进行测量；测量过程中应避免设备、导线移动，以免引起接触电阻的改变。

4．容器加、减压应缓慢进行，待压力稳定后再进行测量。

5．各组实验结果最后须经指导老师检查并认可，整理好仪器设备，打扫现场方可离开实验现场。

附表：一、锥形封头二、筒体（锥形封头）三、球形封头四、筒体（椭圆封头）五、椭圆封头实验二 外压薄壁圆筒形容器失稳实验一、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．实验任务1. 列出测量所得的试件几何尺寸数据。

2. 验算波纹数n 。

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。

三、实验原理：1. 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cr p 表示。

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,如图一所示。

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( )影响。

所谓长圆筒，短圆筒之分，并不是指它们的绝对长度，而是与直径壁厚有图一 圆筒形容器失去稳定后的形状关的相对长度。

一般长圆筒、短圆筒之间的划分用临界长度cr L 表示。

如容器长度L >cr L 为长圆筒，反之为短圆筒。

临界长度cr L 由下式确定：t D D L cr 0017.1=长圆筒：长圆筒失稳时的波数n =2，临界压力cr p 仅与0D t 有关，而与0D L 无关。

cr p 值可由下式计算：32)(12Dt E p cr μ-=短圆壁：短圆筒失去稳定性时，波数n >2,如为3，4，5……，其波数n 可近似为：42)()(06.7D t D L n = 临界压力可由下式计算：tD LD Et p cr 00259.2=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。

2.1-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、实验方法（步骤）：1. 测量试件的有关参数：壁厚(t)，直径(0D)，长度（L）。

用千分卡测壁厚，用游标卡尺D由内直径加壁厚得到。

各参数分别测量两测内直径（便于精确测量）和长度，外直径到三次，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. 打开压缩机开关，调节好流量，缓慢升压至试件破坏为止（试件破坏时有轻微的响声），p）。

失稳后需快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cr速关闭压缩机开关。

如压缩机中途关闭停机，重新开机时须将压力卸到零方能启动。

5. 打开压缩机卸压开关，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. 关闭压缩机的电源开关，清理好实验备件和工具。

五、注意事项：.实验时施压过程中缓慢旋转进气旋钮，不要说话和走动，眼睛看着压力表并注意凝听容器失稳瞬间的爆破声，记住失稳瞬间压力表最高压力值。

《过程设备设计》课程实验报告班级学号姓名日期江南大学机械工程学院过程装备与控制工程系实验报告实验一内压薄壁容器应力测定实验班级_______学号_________ 姓名_________ 日期_______机台号_______成绩_________第1部分预习（20分）1.应变片由哪几部分构成?电阻片正面和反面中间绝缘纸的作用是什么?(5分)2.电阻应变测量的原理是什么?(5分)3.为什么要用补偿片?(5分)4. 紧靠电阻片引出线下粘贴接线端子的目的是什么? 焊接过程需要注意什么?(5分)实验评定__________________指导教师______________日期___________第2部分报告（80分）一.实验目的(3分)二.实验装置、仪器（名称、型号）（3分）三．实验记录、计算结果1．各测点的应变值（10分）(1)、锥形封头(2)、筒体（锥形封头）(3)、球形封头(4)、筒体（椭圆封头）(5)、椭圆封头2.各测点的应力值（10分）(1)、锥形封头(2)、筒体（锥形封头）(3)、球形封头(4)、筒体（椭圆封头）(5)、椭圆封头3．误差计算a.计算实验值与理论值的误差：（筒体任意2到3点：P=2.0MPa；）（5分）b.计算实验值与理论值的误差：（半球任意一点：P=2.0MPa；）（5分）c.计算实验值与理论值的误差：（椭圆封头顶点P=2.0MPa；）（5分）4. 锥形壳体实验值与理论值的比较和误差分析（选出一到两个点，任意压力等级）；画出轴向和周向应力变化图，考察锥形壳体上经向应力、周向应力与x的关系。