北京化工大学：《过程设备设计》课程教学资源（实验指导）实验十一 薄壁容器应力测定实验

实验十一薄壁容器应力测定实验 一，实验目的 1、测定折边锥形封头在内压作用下的应力分布规律。 2、学习电阻应变仪的使用方法。 二.基本原理 1.由于组成折边雏形封头的三个部分（即锥体、圆筒体和过渡圆弧部分）的曲 率不同，在它们的连接处曲率发生突变，于是在受压后，在连接处生产边缘力系 一边缘力矩和边缘剪力。这就使得折边区及其两侧一定距离内的圆筒体和锥体 中的应力分布比较复杂。某些点出现了较高的局部应力，因此，对于折边封头进 行工程设计时，采用下列两式中较大的壁厚： PD s=26fg·osg+C pD K g=260-0.5p+C 式中各符号意义请参阅教材。其中K。是考虑较大局部应力影响的增强系数 2。应力测定中通常用电阻应变仪来测定封头各点的应变值，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，于是弹性范 围内可用广义虎克定律表示如下： E 经向应：G16+e) (3) 环向应：=6+ (4) 式中E和μ分别为设备材料的弹性模量和波桑比：e和®，分别为经向应变和环向 应变。 电阻应变仪的基本原理就是将应变片电阻的微小变化，用电桥转换成电压电流 的变化。其大致过程为： 应变片→R电桥→AvA)放大器→ R 将A惐△y倣大检流计或纪录仪→指示或纪录 我们将应变片用特殊的胶水粘贴在封头外壁面上，使它跟着封头变形。封头 的伸长或压缩将引起应变片电阻值的改变，它们之间有如下关系： 1

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提=K兴=Kc 式中：K一电阻片的灵敏系数： e一一试件的应变： △R,一电阻应变片电阻值的改变值 3.YJ—33型静态电阻应变仪 (1)电阻应变仪主要由三部分组成： a.构件变形的感受和转换部分 一电阻应变片： b.被转换量的传递和放大部分： c.记录及读数部分。其电原理见图一。 RS232讯 cD显闲 躁盘打田机 图一电原理图 接通YJ一33静态电阻应变仪电源。仪器显示“欢迎使用Y一33型静态电 阻应变仪”等字样，此时，按下“菜单”健，则进入主菜单操作界面。 (2)主菜单操作 主菜单中有十个功能菜单条，依次为：设定、调零、手动测量、自动测量、 联机测量、标定、打印、数据输出、显示初值、显示读数。各功能条前都有一个 提示框“口”，当“口”中有“*”时按“确认”键，则进入该功能的进程，完成 该功能后自动退回主菜单（联机测量、打印口、数据输出、显示初值、显示读数）， 或按“菜单”键退回主菜单：各功能条之间可以通过“向上”、“向下”键来移动 提示框“口”中“*”的位置，从而可以完成各种操作。 仪器在主菜单操作界面时，可分别按快捷键“联机”、“打印”、“测量”，从而

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可以同上述操作一样分别完成“联机测量”、“打印”、“自动测量”的功能 (3)设定菜单的操作 A.设定菜单包括灵敏系数、通道选择、监测通道、通讯方式四个参数，灵敏 系数为1.000~9.999之间的任意值，默认值为2.000：通道选择指的是需要自动 测量的通道范围，默认值为000~099通道：监测通道是指需要特别注意的通道， 默认值为000通道：通讯方式是指仪器与上位机之间通讯的波特率，可以是2400 和9600两种，默认值为9600。第一次开机显示的各参数的值就是默认值，目口开 机不设定任何参数，机器也能按该参数值进行工作。设定菜单的提示方式与主菜 单相同，各菜单条之间的移动方法与主菜单一样。 B.当参数前的“口”内有“*”时，按“确认”键就能对该参数进行改写， 此时该参数中的某一位会闪烁，则该位的值可以通过“向上”、“向下”键来减小 或增大到所需的值，并且可以用“向左”、“向右”来改变闪烁位的位置，直到每 一位的值都达到要求后，按“确认”键确认该参数的值并退出该参数的设定。若 所有的参数都设定好后，按“菜单”键返回到主菜单。 (4)调零 当调零菜单条前的提示“口”中有“*”时，按“确认”键，Y一33型静态电 阻应变仪则把从起始点到终止点的初始不平衡值测量出来，并把结果存于内存， 作为测量时的初始零点可以按“向上”、“向下”键翻页查看，每页显示20点。显 示到任何一页都能按“菜单”键健返回主菜单。 (5)手动测量. 当手动测量菜单条前的提示“口”中有“*”时，按“确认”键，Y一33型静 态电阻应变仪则测量起始点的应变量，并显示通道号及应变量。可以按“向下” 键测量第二点的应变量，依次类推，可以测量到终止点的应变量：同样，也可以 按“向上”键测量终止点的应变量直到起始点，这样循环转换，可以测量到起始 点与终止点中的每一点的应变量。测量结束后，按“菜单”键返回主菜单。 (6)自动测量 当自动测量菜单条前提示“口”中有“*”时，按“确认”键，则Y一33型 静态电阻应变仪对从起始点到终止点以每秒2次的速度测量每一点的应变量，并 存于内存中，结束后显示监测点的实时测量值，可以按“向上”或“向下”键循 环翻页，显示每一点的测量值，每一页显示20点，显示任一页时都能按“菜单” 键返回主菜单。 (7)联机测量 当联机测量菜单条前的提示“口”中有“*”时，按“确认则把一切控制权交 给上位机，仪器本身不能作任何操作。 (8)标定 3

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当标定菜单条前的提示“口”中有“*”时，按“确认”键，则YJ一33型静 态电阻应变仪进入标定子菜单。为了防止误操作，所以一定要密码相符时才能进 行标定，即：标定值、系数的设定，调零、实际值的测量。密码、标定值、系数 的设定方法与参数设定方法相同。计算方法如下式： 显示值=测量值X标定值/实际值（系数） 式中标定值就是在标定过程中输入的标准应变量，系数即前一次标定所得的实际 值。系数的改变有两种方法：直接设定、输入标准应变量时测到的实际值，即实 际值改变的同时系数也一起改变。 *注意：请把出厂时的“系数”值记录下来，以后在测试中万一“系数”值丢 失，而又无法标定时可以把记录的数重新设定进去，以保证机器正工作。 (9)打印 当打印菜单条前的提示“口”中有“*”时，按“确认”键，则YJ一33型静 态电阻应变仪外接的打印机会打印出最后一次自动测量（起始点·终止点）的值， 结束后自动返回主菜单。 (10)数据输出 当数据输出菜单条前的提示“口”中有“*”，仪器上RS232接口与上位机连 接好，且上位机处于数据接收状态时，按“确认”键，Y一3型静态电阻应变仪 会把最后一次自动测量结果传输给上位机，结束后自动返回主菜单。 (11)显示初值 当显示初值菜单条前的提示“口”中有“*”时，按“确认”键，Y一33型静 态电阻应变仪显示最后一次调零测得的初始不平衡值，按“向上”、“向下”键翻 页，按“菜单”键返回主菜单 (12)显示读数 当显示读数菜单条前的提示“口”中有“*”时时，按“确认”键，YJ一33型 静态电阻应变仪显示最后一次自动测量得到的值，按“上”、“下”键翻页，按“菜 单”键返回主菜单。 (13)转换箱接线方法见图二所示。 R,为工作片，R:为温度补偿片，R、R,为以及仪器内部的电阻

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转换箱 电盟片R 仪器内 图二转换箱接线图 三。实验装置： 实验装置如图三所示，是一个一端具有折边锥形封头的容器。其主要尺寸见 图三、图四。材料为Q235一A. 图三实验装置 Dg400x4 R60 图四封头尺寸 5

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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环向和经向各贴一个应变片即可。经 向应变片的中点线和环向应变片的轴线必须位于欲测之所在的平行圆上。本实验 拟布置12对应变片见图四。各点离维项距离见表1。 表1各测点离锥项距离 序号12 3456 距离31 29.528 26.525 23.5 序号 7 89 1011 12 距离 222018 1510 因为是多点测量，所以需使用转换箱.其接线方法如图五所示.本实验中所 用应变片之电阻值为1202，灵敏度系数为K 图五应变仪与Y7-22转换箱连接示意图 四.实验步骤： 1.打开容器的排气阀，通人冷水，装满后关闭排气阀。 2.检查各接线是否正确、牢固。 3.打开应变仪电源。 4.检查应变仪是否工作正常。 5.设定包括灵敏系数，与所贴应变片的灵敏系数K相对应。 6.设定通道选择，与转换箱通道相对应。 6

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7.选择调零，检验各点初值是否为零。 8.用手摇试泵加压，测量在0.2,0.4,0.6MP下各点之应变值，井做好记 录。 9.用联机测量重做一次。 五.实验数据整理 1.根据原始记录，用方格纸绘出各测点的P.ε曲线。因为是在弹性范围内， 所以都应该是直线，并由此图求得在0.6MPa压力下应变修正值；整理成表格。 2.由应变修正值用(3)式和(4)式计算在0.6MPa下各点的应力值，整理成表。 数据表格见表2。 表2数据表 应 0.2MPa 0.4MPa 0.6MPa 0.6MPa 值 经向e1 环向e2 经向e1 环向￡2 经向e1 环向e2 应变修 应力 序 正值 值 号 升 降 升 降 升 降 升 降 升 降 升 降 0 0 压 压 压 压 压 压 压 压 压 压 压 压 1 2 1 2 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 六.实验报告要求 1.简述实验目的、原理及装置： 2.包括“实验数据整理的全部内容”： 3.用0.6MPa下的应力值绘封头应力分布曲线： 4.利用所学理论解释锥形封头的应力分布状况： 5.存在问题讨论。 >

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