实验指导

32.4薄壁容器应力测定实验2.4.1实验目的（1）实测在内压作用下封头的应力，绘制封头的压力分布曲线。（2）了解边缘力矩对容器应力分布的影响。2.4.2实验内容实测在不同内压力作用下椭圆封头与锥形封头和筒体上各测点的应变值，画出各测点的P-ε修正曲线（线性关系），并在修正曲线上求得在0.6MPa压力下应变修正值，由应变修正值计算在0.6MPa下各点的应力值，绘制0.6MPa下的封头应力分布曲线，利用所学理论解释封头的应力分布状况，并对存在的问题进行讨论。2.4.3实验装置过程装备与控制工程专业基本实验综合实验台。图2-7薄壁容器应力测定实验流程图主水泵从低位水箱中将水打入实验内压容器，内压容器中的压力由P3进行测量。内压容器由椭圆封头、在型封头和筒体三部分构成。实验容器的材料为304，容器筒体内径400iDmm，筒体及封头的壁厚4mm。椭圆形封头的应变片布置如图2-8所示，椭圆型封头各测点距封头顶点距离如表2-10。锥形封头布片如图2-9，锥形封头各测点距封头顶点距离如表2-11。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经向和环向各贴一个应变片即可。经4向应变片的中点线和环向应变片的轴线必须位于欲测之点所在的平行圆上。图2-8椭圆形封头的应变片布置表2-10椭圆型封头各测点距封头顶点距离（mm）序号12345距离206090120145序号678910距离170190210230250图2-9锥形封头的应变片布置表2-11锥形封头各测点至锥形封头顶点距离[mm]序号12345678910距离408012015018021024026528531052.4.4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。可利用电阻应变测量方法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。（2）应力测定中采用电阻应变仪来测定封头上各点的应变值，然后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，于是在弹性范围内可用广义虎克定律表示如下：经向应力：（2－10）环向应力：（2－11）式中：E－材料的弹性模量μ－泊松比ε1、ε2－经向应变和环向应变1、2－经向应力和环向应力（3）电阻应变仪的基本原理是将应变片电阻的微小变化，通过电桥转换成电压的变化。其过程为：将应变片粘贴在封头外壁面上，使它与封头一起变形。封头的伸长或压缩变形将引起应变片电阻值的变化，它们之间有如下关系：（2－12）式中：K—电阻应变片的灵敏系数；ε—试件的应变；ΔR1—电阻应变片电阻值的改变值；R1—电阻应变片电阻值未变形时的电阻值。2.4.5实验步骤11221E22121EdRIR应变片电桥放大器数据采集或显示应变值11RlKKRL6（1）应变仪操作：①检查各接线是否正确、牢固；②打开应变仪电源，预热20分钟；③设置测量桥路为1/4桥；④设定灵敏系数，本实验中，应变片的灵敏系数为2.07；⑤设置公共补偿点；⑥设置补偿点补偿20个测量点；⑦清空历史数据；⑧确认上述设置有效；⑨进行电桥平衡。（2）实验台操作薄壁容器应力测定实验流程图如图2-7所示，实验前打开阀门V02、V03、V07、V08、V04、V05、V11，关闭其余所有阀门。（3）控制台操作：①顺时针扳动控制台面板上的总控开关“14”，启动控制台；②顺时针旋转旋钮“8”到底，打开电动调节阀V14；③扳动选择开关“13”，将水泵运行方式设置成工频运转方式；④启动工控机，在桌面上打开“基本实验主程序”，点击“实验选择”按钮，选择“薄壁容器应力测定实验”菜单，点击“进入”按钮，进入“薄壁容器应力测定实验”，再点击“开始实验”按钮，进入实验画面；⑤按下主水泵启动按钮“10”，主水泵开始运转；⑥调整阀门V04使内压容器的压力达到所需的测量压力后，关闭阀门V11；⑦按下主水泵关闭按钮“9”，关闭主水泵；⑧测量在0.2，0.4，0.6MPa下各点之应变值，并做好记录。2.4.6数据记录和整理（1）将内压容器在0.2，0.4，0.6MPa压力下测量出的经向应变和环向应变值填入表2-12，在坐标纸上将同一点在上应变值做0、0.2，0.4，0.6MPa下的线性化修正曲线；（2）在线性化修正曲线上取0.6MPa压力时的应变值，并按式（2-10）和式（2-11）计算内压容器在0.6MPa压力下的经向应力和环向应力值，填入表2-12；（3）在坐标纸上绘制带有椭圆封头或带有锥形封头的内压容器的应力分布曲线。2.4.7实验报告要求（1）写出实验目的、实验内容、应变测量的实验步骤；7（2）在同一张坐标纸上画出各点的线性化修正曲线、应力计算步骤、绘制应力分布曲线；（3）回答思考题。表2-12实验数据表0.2MPa0.4MPa0.6MPa0.6MPa经向应变ε1环向应变ε2经向应变ε1环向应变ε2经向应变ε1环向应变ε2应变修正值应力值MPaε1ε2σ1σ2123456789102.4.8思考题利用所学理论解释封头的应力分布状况，对封头和圆筒体的连接处出现应力剧烈变化的现象进行讨论。附1：BZ2205C静态电阻应变仪及使用方法BZ2205C程控静态电阻应变仪是在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应变测试仪器。采用低噪声、低漂移放大器，单片机进行运算和控制，因而使仪器具有稳定性好、测量精度高、体积小、重量轻、便于测试等优点。可以多台联机使用，采用计算机软件控制，可以完成复杂的测量和数据处理任务。BZ2205C静态电阻应变仪的使用方法：按键介绍：选择——仪器进行设置时用来选择菜单；移位——仪器进行设置时用来移动闪烁位；修改——仪器进行设置时用来更改闪烁位的数字；应变值序号8设置/退出——进入设置菜单状态/测量退出或读取退出；平衡——电桥初始调节；自动——按此键仪器自动进行测量，并把测量数据存储；手动——对测量点进行监测，按动一下切换到下一点；读取——进入读取数据状态并读取已经存储的测量数据。附图2－1BZ2205C静态电阻应变仪控制面板示意图状态提示符说明：H**——H是提示符，**是测试次数，表示已完成第**次自动测量，等待操作，所有功能均由此开始；S1——1/4桥测量的结束点；S2——半桥测量的结束点；S3——1/4桥应变片的灵敏系数；S4——半桥应变片的灵敏系数；S5——全桥应变片的灵敏系数；S6——1/4桥是否进行补偿；S7——1/4桥的补偿方式（多少点分配1个补偿点）；S8——清空或保留历史的自动测量数据；S9——确认是否让更改的设置生效；P0——正在进行平衡；P1——正在进行自动测量；P2——正在通过计算机控制仪器对测量点进行监测；9P3——正在向电脑发送全部测试记录；E1——错误1，所查看的测量次数不存在或仪器没有存储任何测量数据；E2——错误2，设置的1/4桥或者半桥的结束点超出仪器的测量点数；E3——错误3，设置的1/4桥结束点大于设置的半桥结束点；E4——错误4，应变片的灵敏系数设置为0；E5——错误5，在设置补偿后没有具体设置好多少点分配一个补偿点或者补偿设置错误；E6——错误6，存储的测量数据已满99次，存储器将不支持继续测量。电桥连接方法：附图2－2接线端子及电桥连接示意图其中测点A和D，D和C，C和B两端内部均为120标准电阻，在1/4桥测量时内部电阻全部连接，半桥测量时A和D，D和C两端内部电阻全部连接，全桥测量时所有电阻全部断开。仪器公共补偿点有B和C两个接线端子，在设置补偿的情况下才参与测量。1/4桥无补偿：各测点A和B两端接测量片，A和D，D和C，C和B两端内部120标准电阻全部自动连接，由测量片与内部电阻组成惠斯顿电桥，此时测量片的阻值必须为120，S6设置为“0”。1/4桥独立补偿：各测点A和B两端接测量片，B和C两端接补偿片，A和D，D和C两端内部120标准电阻全部自动连接，S6设置为“0”。1/4桥公共补偿：各测点A和B两端接测量片，测点对应的补偿点B和C两端接补偿片，A和D，D和C两端内部120标准电阻全部自动连接，由测点应变片与补偿点应变片和内部电阻组成惠斯顿电桥，S6设置为“1”，并可通过S7设置来更改一个10补偿点对应的测点。半桥：各测点A和B两端，B和C两端均接测量片，A和D，D和C两端内部120标准电阻全部自动连接，S6设置为“0”。全桥：A和B，B和C，A和D，D和C两端全部连接测量片，S6设置为“0”。主要技术指标：应变范围：19999分辨率：1精度：满量程0.1%1平衡范围：满量程供桥电压：DC2V零点漂移：1/小时测试点数：10、20、40、60测量方式：自动、手动应变片阻值：60～1000应变片灵敏系数：任意工作温度：－10℃～＋50℃工作湿度：≤85％RH（无冷凝）电源：AC220V10％50Hz附2应变片的粘贴与接线（1）粘贴应变片①在椭圆封头的经向和环向画好应变片的位置；②用砂纸沿45°打磨贴应变片的部分，并用甲酮清洗表面；③按经向和环向粘贴应变片；④经过一段时间干燥固化应变片；（2）准备导线，焊接应变片；（3）用万用表测量应变片的电阻，看其电阻是否等于350Ω；（4）把应变片与转换箱相连，再连接好应变仪等其它仪器。112.5外压薄壁容器的稳定性实验2.5.1实验目的（1）掌握薄壁容器失稳的概念，观察圆筒形壳体失稳后的形状和波数；（2）了解长圆筒、短圆筒和刚性圆筒的划分，实测薄壁容器失稳时的临界压力。2.5.2实验内容测量圆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及图算法计算值进行比较。观察外压薄壁容器失稳后的形态和变形的波数，并按比例绘制试件失稳前后的横断面形状图，用近似公式计算试件变形波数。对实验结果进行分析和讨论。2.5.3实验装置过程装备与控制工程专业基本实验综合实验台，实验流程如图2-10所示。图2-10外压薄壁容器的稳定性实验流程图2.5.4实验原理（1）试件参数计算：厚度211t2DD；圆弧处内部高度31hht；中径1212DDD；12计算长度02312LLhh。注：试件的材料为Q235－A，弹性模量E＝212GPa，泊松比＝0.288，屈服极限s＝235MPa。（2）圆筒的临界长度计算如式(2-13)和式(2-14)：cr1.17tDLD（2－13）'1.13sEtLDtcr（2－14）当：LcrL时，属于长圆筒；'LcrLcrL时，属于短圆筒；L'Lcr时，属于刚性圆筒。（3）圆筒的临界压力计算公式①长圆筒的临界压力计算如式(2-15)：3221EtPDcr（2－15）②短圆筒的临界压力计算如式(2-4)和式(2-5)：R.V.Mises公式32222222211121111EtEtnPnRnLnLRnRRcr（2－16）B.M.Pamm公式22.59EtPDLDtcr（2－17）（4）波数的计算公式（2－18）13图2-11外压试件及尺寸2.5.5实验步骤（1）测量试件参数（见图2-11）测量试件实际长度0L、圆弧处外部高度1h、翻边处高度2h；外直径2D、内直径1D。将试件的测量值填入表2-13。计算壁厚t、圆弧处内部高度3h、中径D、计算长度L。分别将试件的计算值填入表2-14。（2）实验台操作外压薄壁容器的稳定性实验流程图如图2-10所示，实验前打开阀门V05、V07、V09、V10、V12，关闭其他所有阀门。（3）控制台操作①向右扳动控制台面板上的总控开关“