1、薄壁容器內(nèi)壓應(yīng)力測(cè)定（球形封頭、橢圓封頭）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定薄壁容器承受內(nèi)壓作用時(shí)，筒體及封頭（球形封頭、橢圓封頭）上的 應(yīng)力分布。.比較實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論計(jì)算應(yīng)力，分析它們產(chǎn)生差異的原因。.了解“應(yīng)變電測(cè)法”測(cè)定容器應(yīng)力的基本原理和掌握實(shí)驗(yàn)操作技能。、原理說(shuō)明由中低容器設(shè)計(jì)的薄殼理論分析可知， 薄壁回轉(zhuǎn)容器在承受內(nèi)壓作用時(shí)，圓 筒壁上任一點(diǎn)將產(chǎn)生兩個(gè)方向的應(yīng)力，經(jīng)向應(yīng)力 m和環(huán)向應(yīng)力。在實(shí)際工程中， 不少結(jié)構(gòu)由于形狀與受力較復(fù)雜， 進(jìn)行理論分析時(shí)，困難較大；或是對(duì)于一些重 要結(jié)構(gòu)在進(jìn)行理論分析的同時(shí)，還需對(duì)模型或?qū)嶋H結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定， 以驗(yàn)證理 論分析的可靠性和設(shè)計(jì)的精確性；所以，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析在

2、壓力容器的應(yīng)力分析和 強(qiáng)度設(shè)計(jì)中有十分重要的作用?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法已有十幾種， 而應(yīng)用較廣泛的有電測(cè)法和光彈法，其 中前者在壓力容器應(yīng)力分析中廣泛采用。 可用于測(cè)量實(shí)物與模型的表面應(yīng)變，具 有很高的靈敏度和精度；由于它在測(cè)量時(shí)輸出的是電信號(hào)，因此易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù) 字化和自動(dòng)化，并可進(jìn)行無(wú)線電遙測(cè)；既可用于靜態(tài)應(yīng)力測(cè)量，也可用于動(dòng)態(tài)應(yīng) 力測(cè)量，而且高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)等特殊條件下可進(jìn)行測(cè)量。電測(cè)法是通過(guò)測(cè)定受壓容器在指定部位的應(yīng)變狀態(tài)，然后根據(jù)彈性理論的虎 克定律可得：（m9三-E2（T；m）(2)通過(guò)應(yīng)變電測(cè)法”測(cè)定容器中某結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)變，然后根據(jù)以上應(yīng)力和應(yīng)變 的關(guān)系，就可確定這些部位的應(yīng)

3、力。而應(yīng)變 君m、七的測(cè)量是通過(guò)粘貼在結(jié)構(gòu)上 的電阻應(yīng)變片來(lái)實(shí)現(xiàn)的；電阻應(yīng)變片與結(jié)構(gòu)一起發(fā)生變形，并把變形轉(zhuǎn)變成電阻的變化，再通過(guò)電阻應(yīng)變儀直接可測(cè)得應(yīng)變值即、名日，然后根據(jù)（2）式可算出容器上測(cè)量位置的應(yīng)力值，利用電阻應(yīng)儀和預(yù)調(diào)平衡箱可同時(shí)測(cè)出容器上多個(gè)部位 的應(yīng)力，從而可以了解容器受壓時(shí)的應(yīng)力分布情況。（2）式中E為彈性模量， 以為泊松比，實(shí)驗(yàn)材料為1CU8Ni9Ti不銹鋼。（1）電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片：簡(jiǎn)稱應(yīng)變片”或電阻片”，是測(cè)量應(yīng)變的感受元件，是用直徑 為0.20.5 mm的電阻率較高的金屬絲繞成柵后粘貼在兩層極薄的絕緣層之間構(gòu) 成，如圖一所示。絕緣紙引出線圖一、電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖我

4、們知道，若應(yīng)變片的電阻在變形前為 R,它與構(gòu)成電阻絲的材料，長(zhǎng)度和 截面積的關(guān)系是：R =s當(dāng)電阻絲隨被測(cè)結(jié)構(gòu)一起變形時(shí)，P、k s要發(fā)生變化，R也隨之變化，其 改變量為：（將上式取對(duì)數(shù)后在微分）dR = gdR :dL - 艮dsl 一 ：l二一d - dl - dss s sd： -dl(1 -ds4ds 二一 d2（$電阻絲直徑）其中:一電阻絲的橫向應(yīng)變;4ds 二一 d2（$電阻絲直徑）其中:一電阻絲的橫向應(yīng)變;一電阻絲的軸向應(yīng)變顯然,（丁泊松比）所以:dR =-d：? -dl（1 2日） s sdR式 R sR顯然,（丁泊松比）所以:dR =-d：? -dl（1 2日） s sdR式

5、 R sRPd： dl（1 2）， R等式右邊用帶入得:dR d - dl _ （12）=：ld：（1 2）;dR dP等式兩邊同除名得:等式兩邊同除名得:zP實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)一定的材料,d-二實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)一定的材料,d-二（1 2）即為常量d。（12） 令 eP年dRK ；所以 R這就是應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變值的關(guān)系，對(duì)于同一 6值，K值越大則 dR/R也越大；測(cè)量時(shí)，易得較高的精度，因此 K值是反應(yīng)應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變敏感程 度的物理量，稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)”，K值的大小與金屬絲的材料和應(yīng)變片的 結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，一般制造廠已給出具體的數(shù)值。（本實(shí)驗(yàn)應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K=2.08）（2）電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)

6、變儀的基本原理就是將應(yīng)變片電阻的微小變化用電橋轉(zhuǎn)變成電壓或 電流的變化，具大致過(guò)程為:dR加變片 R電橋AV（AI）放大器放大的AV（AI）檢流計(jì)指示瞰數(shù)電阻應(yīng)變儀就是實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的儀器。圖二、電橋的工作原理 a.電橋的工作原理如圖二所示的電路，若在 AC端加電壓V,則BD端輸出電壓是：V BD = VDC - VBC = (V -V AD ) - (V - VAB )二(V i2R4)-(V iiR4)= iiRi - i2R4RiR4-V - VRi R2R3 R-( 5)電路中Ri若為粘貼在容器上應(yīng)變片的電阻值，稱為工作片”，R2為與工作片類型相同且電阻值相等的電阻片，其作用是抵消由于溫

7、度變化引起的電阻變化 對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響，使所測(cè)的電阻變化僅反應(yīng)應(yīng)變引起的電阻變化，稱為 溫度 補(bǔ)償片”。一般是粘貼在與被測(cè)構(gòu)件相同的 補(bǔ)償極”上，但補(bǔ)償板不受力作用。 放在工作片附近以兩者處于相同的環(huán)境溫度下，以消除溫度影響的目的。R3, R4為應(yīng)變儀內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻，對(duì)于 Vbd的變化僅考慮工作片隨容器受壓 時(shí)應(yīng)變引起的電阻變化。(5)式中，對(duì)Ri求偏導(dǎo)數(shù)。 TOC o 1-5 h z dVBD (Ri R2 )V - RiVR2V 一ZZ 2- - Z 2dRi(Ri R2) (Ri R2)dVBD _ V因 Ri = R2,故 dR4Ri( 6 )i RVi改用增量表示： Vbd=4Ri(

8、7 )i-VKVbd = 4( 8 )上式表明：電橋的輸出電壓變化 &Vbd與測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變&成正比。 b.電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀的工作原理如圖三所示。I1信號(hào)發(fā)生器I被測(cè)信y H 電而_N 放大器M檢波解調(diào) N a/d轉(zhuǎn) 正率川一穩(wěn)壓電iT|數(shù)碼顯川圖三、電阻應(yīng)變儀的工作原理三.、實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)變電測(cè)系統(tǒng)由傳感元件（電阻應(yīng)變片）和測(cè)量?jī)x器二部分組成。本實(shí)驗(yàn)的 應(yīng)變片為膠基箔式應(yīng)變片（R片=120 Q）應(yīng)變儀為CM-1H-32型，可進(jìn)行多點(diǎn)應(yīng) 力測(cè)量。加壓采用手動(dòng)加壓泵，裝置如圖（4）所示。壓力表壓力傳感器一口 又幃加壓容器1加壓容器2：V4鏈形封頭平板封頭圖四薄壁容器內(nèi)壓應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖壓力

9、表壓力傳感器一口 又幃加壓容器1加壓容器2：V4鏈形封頭平板封頭圖四薄壁容器內(nèi)壓應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖表一實(shí)驗(yàn)裝置基本配置表廳P設(shè)備名稱規(guī)格型號(hào)數(shù)量1不銹鋼容器4 400X 4,L=500橢圓+球形封頭12不銹鋼容器4 400X 4,L=500錐形+平板封頭13手動(dòng)試壓泵SY-4014溫度變送器Pt10015數(shù)據(jù)采集板PCI831016壓力變送器SM9320DP (0-1MP027計(jì)算機(jī)CPU告睿1.6G內(nèi)存1.0G 硬盤 160G DVDt驅(qū)，17” 液晶顯示器（觸摸屏）18離心水泵WB50/02519壓力表0-1.6MPa210靜態(tài)電阻應(yīng)變儀CM-1H-32111數(shù)字顯示儀AI-501

10、B24V412不銹鋼水箱1實(shí)驗(yàn)用容器規(guī)格及應(yīng)變片布置圖如下圖所示圖五、橢圓封頭應(yīng)變片布置圖圖六、球形封頭應(yīng)變片布置圖四、實(shí)驗(yàn)操作方法本實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)定圓形筒體和(球形封頭、橢圓封頭)封頭的主應(yīng)力及分布 情況，容器圓筒直邊到封頭頂點(diǎn)共貼有 16片應(yīng)變片，在平衡箱上1表示第1點(diǎn) 的環(huán)向，2表示第2點(diǎn)的環(huán)向，17表示第1點(diǎn)的徑向，18表示第2點(diǎn)的徑向， 以此類推，可測(cè)出16個(gè)點(diǎn)的徑向和環(huán)向應(yīng)力，由此可以得出封頭和直邊的應(yīng)力 分布狀態(tài)。具體實(shí)驗(yàn)操作可按下面過(guò)程進(jìn)行。(1)儀器及應(yīng)變片的預(yù)調(diào)平衡本實(shí)驗(yàn)采用的CM-1H-32型電阻應(yīng)變儀使用方法為：.應(yīng)變儀背后接上電橋盒，接通電源，按下電源開關(guān)。.向水箱注入

11、蒸儲(chǔ)水，將所有閥門全部關(guān)閉，啟動(dòng)離心水泵，打開閥門V2、V3、V5向壓力罐送水。當(dāng)出水管內(nèi)有液體出現(xiàn)時(shí)，關(guān)閉閥門 V2、V3,關(guān)閉離心水 泵，關(guān)閉閥門V5。.應(yīng)變儀調(diào)零后，向加壓泵內(nèi)灌水，若對(duì)容器 1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，打開V3閥門 搖動(dòng)加壓泵手柄對(duì)容器1進(jìn)行加壓。.試驗(yàn)時(shí)加壓順序?yàn)椋簤毫?P為0.15 0.3 0.5 (MPa),加壓應(yīng)緩慢 平穩(wěn)，且待壓力穩(wěn)定后關(guān)閉閥門V3進(jìn)行測(cè)量，并記錄各壓力等級(jí)下的應(yīng)變值。.卸壓時(shí)擰開閥門V5使容器內(nèi)的液體回流到水箱中，卸壓順序：0.5 0.3 0.15(MPa),卸壓過(guò)程中，注意觀察壓力表的指示數(shù)，待降到預(yù)定值，立即關(guān)閉閥 門V5,待壓力穩(wěn)定后，記錄應(yīng)變值。五.

12、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算以橢圓封頭壓力容器2的第16組為例舉例計(jì)算：經(jīng)向應(yīng)變；m=48內(nèi) 環(huán)向應(yīng)變；口=141內(nèi) 彈性模量E=210000(MPa),泊松比仙=0.28Dm =Ev( 8m + 收& = 210000(48 + 0.28141) /1000000=19.9(MPa) 1-R201-0.282E /、210000/,、“ 八八、仃日=(名日 + m) =r(141+0.28h48)/1000000=35.2(MPa)6 1-N201-0.282表二、橢圓封頭數(shù)據(jù)表容器壓力616 Kpa540 Kpa設(shè)備1距 離應(yīng)義值應(yīng)力值(Mpa)設(shè)備2應(yīng)義值應(yīng)力值(Mpa)周 向108324.91722

13、1.725015646.6213741.3310012836.4311332.141408232.747228.85175-62-3.05-56-3.16205-229-53.76-203-47.37235-181-39.57-162-35.68255814.58712.992708328.497324.81029014539.61012935.21130516441.21114636.61232016038.91214234.61333515638.21313833.81435515638.81413734.21537515639.21513934.81641516039.91614135.

14、2徑 向1709426.7178323.5185017349.41815844.71910011434.11910030.02014021955.12019549.02117517435.72115231.122205-24-20.122-16-16.62323527-5.42321-5.62425519945.92417740.82527014839.02512833.82629010332.7269129.0273056024.1275321.4283203919.1283517.0293354219.5293717.2303555121.6304719.5313755722.931492

15、0.0324155422.5324819.9表三、球形封頭數(shù)據(jù)表容器壓力613 Kpa508 Kpa設(shè)備1距 離應(yīng)義值應(yīng)力值（Mpa）設(shè)備2應(yīng)義值應(yīng)力值（Mpa）周向1010830.719226.42605716.224813.631255917.235114.841856920.545817.752203811.153310.062504614.464012.272755617.974915.782956417.185414.793108020.196716.81033015545.01013037.71134517045.41114338.41236016942.31214135.61337516340.51313734.21439515839.41413233.01541515839.81513233.81645515639.21613033.3徑向1709628.8178525.218605015.0184212.6191255917.2195014.6201857521.5207119.9212203811.1213911.0222506217.1224913.7232758021.8237119.3242954013.2243711.9253102911.725249.726330