实验二 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pcr 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。
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pcr值大小主要与厚壁(t)，外直径(D0)，长度（L）有关。亦受材料弹性模数(E)，泊桑比(μ)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Lcr表示。如容器长度L>Lcr为长圆筒，反之为短圆筒。临界长度Lcr由下式确定：
Lcr=1.17D0D0
长圆筒：长圆筒失稳时的波数n=2，临界压力pcr仅与tD0有关，而与
LD0无关。pcr值可由下式计算：
2Et3
() 2
1-μD
pcr=
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：
7.06
2
(LD)(tD)
n=4
临界压力可由下式计算：
2.59Et2LD0D0t
pcr=
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-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(t)，直径(D0)，长度（L）。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D0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. 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），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pcr）。失稳后需快速关闭压缩机开关。 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、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。
实验三 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
ps=
σsK2-1
K
2
（2） 全始屈服压力（材料为理想弹塑性） p2so=σslnK
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）
Faupel公式： p2b=
σs(2-
σs
σ)lnK b
（2） 中径公式：
pb=2σb
K-1
K=1
（3） 最大主应力理论
K2-1
pb=(2)σb
K+1
（4） 最大线应变理论
K2-1
pb=()σb
1.3K2+0.4
（5） 最大剪应力理论
K2-1
pb=()σb
2K2
（6） 最大变形能理论
K2-1 pb=()σb 2
3K
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”。 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图一所示，在弹性变形阶段（OA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A点时容器内表面开始屈服，与A点对应的压力为初始屈服压力ps；在弹塑性变形阶段（AC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
C
点时两种作用已接近，C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（CD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D点，容器爆炸，D点所对应的压力为爆破压力pb。 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2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：
图2 工作原理流程图
图1 工作原理图
1 油槽；2 导油杯；3 被检件；4 压力表5 进口阀；6 出口阀；
1-油槽 2-导油杯 3-爆破试件 4-压力表 5-进口阀 6-7 压力表保护阀；8 油缸；9 活塞；10 试件卸压阀；11 出口阀压力表 7-压力表保护阀 8-油缸 9-活塞 10-试件卸压阀 11-表卸压阀 12-压力传感器 13-传感器微机接头
卸压阀；12 压力传感器；13 传感器微机接头
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ADCRAS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）软件使用与操作
4.1窗体界面如下图:
4.2 具体功能:
本软件可广泛的应用于实时的数据采集系统。可对采集到的数据进行处理、分析、显示以及保存下来。可以保存在EXCEL中，对以后读取数据的很方便。
软件的界面如下所示：主要组成部分包括曲线显示、压力表
实时显示、端口值的选择、数据操作以及图形基本操作部分。界面看起来比较简洁，易于操作和进行数据的监测。软件的各个部分的功能如下: 4.3端口值的选择
高压爆破装置通过COM口与计算机进行通信，所以端口值选择CMO1或COM2口，一
般为CMO1口。选择好后点开始键即开始数据的采集。
在数据采集的过程中，其他按键均处于非激活状态，不可操作。只有
暂停之后才可以进行
操作
4.4数据的打印
点击打印即可进行数据的打印，打印的是当前界面所显示的实验数据。
4.5测量
测量用于测量曲线上的各个点的压力值，点测量后，选择任
意时间，即可看到的当时压力值。
4．6数据的保存
点击保存，弹出保存对话框，填写保存文件名并选择保存路径，
点确定即可完成文
件保存。
4.7文件的打开
在暂停状态下点击打开，弹出打开对话框，选择上次保存的文件，点击打开即可打开文件。。
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
实验二 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pcr 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。
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pcr值大小主要与厚壁(t)，外直径(D0)，长度（L）有关。亦受材料弹性模数(E)，泊桑比(μ)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Lcr表示。如容器长度L>Lcr为长圆筒，反之为短圆筒。临界长度Lcr由下式确定：
Lcr=1.17D0D0
长圆筒：长圆筒失稳时的波数n=2，临界压力pcr仅与tD0有关，而与
LD0无关。pcr值可由下式计算：
2Et3
() 2
1-μD
pcr=
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：
7.06
2
(LD)(tD)
n=4
临界压力可由下式计算：
2.59Et2LD0D0t
pcr=
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-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(t)，直径(D0)，长度（L）。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D0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. 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），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pcr）。失稳后需快速关闭压缩机开关。 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、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。
实验三 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
ps=
σsK2-1
K
2
（2） 全始屈服压力（材料为理想弹塑性） p2so=σslnK
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）
Faupel公式： p2b=
σs(2-
σs
σ)lnK b
（2） 中径公式：
pb=2σb
K-1
K=1
（3） 最大主应力理论
K2-1
pb=(2)σb
K+1
（4） 最大线应变理论
K2-1
pb=()σb
1.3K2+0.4
（5） 最大剪应力理论
K2-1
pb=()σb
2K2
（6） 最大变形能理论
K2-1 pb=()σb 2
3K
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”。 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图一所示，在弹性变形阶段（OA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A点时容器内表面开始屈服，与A点对应的压力为初始屈服压力ps；在弹塑性变形阶段（AC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
C
点时两种作用已接近，C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（CD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D点，容器爆炸，D点所对应的压力为爆破压力pb。 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2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：
图2 工作原理流程图
图1 工作原理图
1 油槽；2 导油杯；3 被检件；4 压力表5 进口阀；6 出口阀；
1-油槽 2-导油杯 3-爆破试件 4-压力表 5-进口阀 6-7 压力表保护阀；8 油缸；9 活塞；10 试件卸压阀；11 出口阀压力表 7-压力表保护阀 8-油缸 9-活塞 10-试件卸压阀 11-表卸压阀 12-压力传感器 13-传感器微机接头
卸压阀；12 压力传感器；13 传感器微机接头
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ADCRAS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）软件使用与操作
4.1窗体界面如下图:
4.2 具体功能:
本软件可广泛的应用于实时的数据采集系统。可对采集到的数据进行处理、分析、显示以及保存下来。可以保存在EXCEL中，对以后读取数据的很方便。
软件的界面如下所示：主要组成部分包括曲线显示、压力表
实时显示、端口值的选择、数据操作以及图形基本操作部分。界面看起来比较简洁，易于操作和进行数据的监测。软件的各个部分的功能如下: 4.3端口值的选择
高压爆破装置通过COM口与计算机进行通信，所以端口值选择CMO1或COM2口，一
般为CMO1口。选择好后点开始键即开始数据的采集。
在数据采集的过程中，其他按键均处于非激活状态，不可操作。只有
暂停之后才可以进行
操作
4.4数据的打印
点击打印即可进行数据的打印，打印的是当前界面所显示的实验数据。
4.5测量
测量用于测量曲线上的各个点的压力值，点测量后，选择任
意时间，即可看到的当时压力值。
4．6数据的保存
点击保存，弹出保存对话框，填写保存文件名并选择保存路径，
点确定即可完成文
件保存。
4.7文件的打开
在暂停状态下点击打开，弹出打开对话框，选择上次保存的文件，点击打开即可打开文件。。
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