文 献 综 述

外压薄壁圆柱壳体的稳定性分析

0 序言

为了满足各种工艺或功能要求，经常会设计制造一些承受外压的壳体，如套管式换热器的内管、潜水容器等，它们在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩薄膜应力，其大小与受相等内压时的拉伸薄膜应力相同。但此时壳体可能有两种失效形式: 一种是因刚度不足，发生失稳破坏; 另一种是因强度不足，发生压缩屈服失效。^[15,25]对于外压薄壁圆筒来说, 主要设计问题不是强度, 而是稳定性.保证外压薄壁圆筒不失稳的条件是P≤Pcr/m#61603;（P：许用设计外压力，MPa；Pcr：临界压力，MPa；m：稳定系数，我国钢制压力容器标准取m=3）^[2]。由此可见临界压力是判断外压薄壁圆筒失稳的主要依据。本课题研究对象为外径为100.36mm，厚度为0.3mm，长度为100.50mm 的钢制圆筒，为研究壳体的稳定性，采用了有限元方法预测外压圆筒的临界压力及失稳波形数，并与实验结果进行比较，分析几何缺陷对临界压力的影响。

1.1 文献综述

在石油化工生产中，常要用到承受外压的容器，如真空贮槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜等，这些容器的一个共同特点就是容器外部压力大于内部压力。经验表明，由于外压容器的失稳往往在强度破坏之前发生，所以，对外压容器来说，稳定性是其主要考虑的问题。^[2,6]

1.1.1 壳体的失稳现象^[2]

承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复形状，这种现象称为外压壳体的屈曲或失稳。对于壁厚与直径比很小的薄壁回转壳，室温时期比的压缩应力通常低于材料的比例极限，这种失稳称为弹性失稳。薄壁圆柱壳受周向外压，当外压力达到一个临界值时，开始产生径向挠曲，并迅速增加，沿周向出现压扁或几个有规则的波纹。波纹数与临界压力相对应，较少的波纹数相对应较低的临界压力。对于给定外直径和壳壁厚度t的圆柱壳，波纹数和临界压力主要决定于圆柱壳端部边缘或周向上约束形式和这些约束处之间的距离，即临界压力与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件之间距离L有关。

1.1.2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析^[2,10,15]

对外压薄壁圆柱壳失稳的分析是按照理想圆柱壳小挠度理论进行的。此理论有如下假设：第一，圆柱壳厚度与半径相比是小量，位移与厚度相比是小量，从而可得到线性平衡方程和挠曲微分方程；第二，失稳时圆柱壳体的应力仍处于弹性范围。但实验表明小挠度理论分析所预示的临界压力值与实验结果并不很好吻合，所以在工程实际中，由于考虑到圆柱壳的实际受载和理想的受均匀外压圆柱壳的各种偏差的影响，引进稳定性安全系数，可以限定外压壳体安全运行的载荷。