在壓力容器設(shè)計(jì)中，除受內(nèi)壓容器外，還有不少承受外壓的容器，如真空儲(chǔ)罐、減壓蒸餾塔及帶有夾套加熱或冷卻的反應(yīng)釜。當(dāng)夾套中介質(zhì)的壓力高于容器內(nèi)介質(zhì)壓力時(shí)，也構(gòu)成外壓容器。對(duì)于外壓容器，在既定直徑和材料的前提下，增加圓筒厚度δ或減小圓筒計(jì)算長(zhǎng)度L均可提高其臨界壓力pcr值。但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，減小L往往比增加δ更為有利，減小圓筒計(jì)算長(zhǎng)度的方法是在圓筒外部或內(nèi)部設(shè)置剛性加強(qiáng)圈。按GB 150-89《鋼制壓力容器》進(jìn)行加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)先假定加強(qiáng)圈截面尺寸，然后反復(fù)試算，直至Is＞I，且較接近為止。冷拉型材尺寸較小，精度較高，主要用于毛坯精度要求較高的中小型零件。這種方法需反復(fù)試算，使用不便，筆者通過對(duì)矩形截面加強(qiáng)圈計(jì)算公式的推導(dǎo)，得出了一種快速簡(jiǎn)捷的計(jì)算方法。

1 組合慣性矩

矩形截面加強(qiáng)圈是常用的一種加強(qiáng)圈，它與殼體有效段組合截面見圖1。根據(jù)文獻(xiàn)［4］，以x-x為組合截面中性軸，則組合慣性矩為：

Is=I0 As(z0 δe/2-a)2 I0′ As′a2

式中，I0=he3be/12,為加強(qiáng)圈慣性矩，mm4；I0′=lδe3/12，為圓筒起加強(qiáng)作用部分的慣性矩，mm4；As′=lδe，為圓筒起加強(qiáng)作用部分(組合段)的面積，mm2；As=hebe，為加強(qiáng)圈有效截面積，mm2；沖壓直徑：100mm-500mm,材質(zhì)為:碳鋼，Q235BMN。he為加強(qiáng)圈截面有效高度，be為加強(qiáng)圈有效厚度，δe為殼體的有效厚度，z0=he/2，為形心軸矩，a為組合截面的形心軸矩，l′=1.10

為加強(qiáng)圈兩側(cè)筒體有效段寬度之和，以上單位均為mm。若加強(qiáng)圈中心線兩側(cè)殼體的有效段寬度相重疊，則該殼體的有效段寬度中相重疊部分每側(cè)按一半計(jì)算。

圖1 加強(qiáng)圈與殼體有效段組合截面

2 組合截面形心軸矩

將I0、z0及I0′代入式(2)，可得：

為便于計(jì)算，對(duì)上式進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，略去在Is計(jì)算中影響較小的項(xiàng)，he δe≈he，同時(shí)略去lδe3/12一項(xiàng)，則：

上述簡(jiǎn)化在工程設(shè)計(jì)中是安全的。因?yàn)锳s以及As′均為正數(shù)，所以(As As′)/2≥

(僅當(dāng)As=As′時(shí)取等號(hào))，即(As As′)2≥4AsAs′。故:

把式(5)代入式(4)得：

Is≤behe3/12 As′he2/16 Ashe2/16 (6)

把As代入式(6)，化簡(jiǎn)得：

7he3be 3As′he2≥48Is (7)

3 加強(qiáng)圈與殼體組合段所需慣性矩

考慮每個(gè)加強(qiáng)圈兩側(cè)各承受Ls/2范圍內(nèi)的外壓pcr， 則每個(gè)加強(qiáng)圈所承受的載荷Pcr=pcrLs。式中Ls為加強(qiáng)圈間距，mm。按圓環(huán)的失穩(wěn)公式計(jì)算承受臨界載荷Pcr的加強(qiáng)圈所需慣性矩［2］：

(8)

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用文獻(xiàn)［2］中式(5-1)計(jì)算圓環(huán)臨界壓力，相應(yīng)地對(duì)于和圓筒相連在一起的加強(qiáng)圈，取穩(wěn)定性安全系數(shù)m=3。增加了加強(qiáng)圈的臺(tái)架能輔助臺(tái)面板承受重量和壓力，減少臺(tái)面板因受重力而引起的變形?？紤]到加強(qiáng)圈和筒體相連的間斷焊，可能削弱或割斷等因素而增加10%的慣性矩裕量，故在設(shè)計(jì)外壓p=［p］=pcr/3時(shí)，所需要的

加強(qiáng)圈慣性矩為： (9)

上式算得的I就是按穩(wěn)定性要求所需的小慣性矩，該式適用于彈性穩(wěn)定問題。應(yīng)用上式時(shí)，應(yīng)力應(yīng)控制在彈性范圍，工程上可近似用屈服強(qiáng)度來限制，即mσ=3σ≤σst。一般工程設(shè)計(jì)均能滿足這一要求。

對(duì)于裝在厚度為δe的圓筒上，初定截面積為As的加強(qiáng)圈，可將其厚度看作δE=δe As/Ls，所以應(yīng)力控制范圍為：

mσ=3pD0/［z(δe As/Ls)］≤σst (10)

4 計(jì)算實(shí)例

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)應(yīng)使實(shí)際組合慣性矩大于加強(qiáng)圈與殼體組合段所需慣性矩，即：

Is＞I (11)

將he視為已知量，把式(11)代入式(7)，可以得到：

be＞(48I-3As′he2)/(7he3) (12)

利用上式即可一次求出矩形加強(qiáng)圈截面尺寸。下面以文［3］05頁例題為例進(jìn)行說明。已知p=0.1 MPa, D0=2 420 mm, L=Ls=2 400 mm,t=150 ℃,σst=210 MPa,E=2.05×105 MPa,由式(9)得加強(qiáng)圈與殼體組合段所需的慣性矩I=2.3×106 mm4。另As′=1 224 mm2，取h=90 mm,由式(12)得b=15.8 mm≈16 mm。文獻(xiàn)［2］對(duì)加強(qiáng)圈每側(cè)加腐蝕裕度1 mm，則加強(qiáng)圈截面尺寸為90 mm×18 mm。壓應(yīng)力隨外載荷的增加而增大，直到平均應(yīng)力等板的臨界應(yīng)力，板開始出現(xiàn)壓曲現(xiàn)象。按式(10)進(jìn)行應(yīng)力校核：mσ=41.85 MPa＜σst=210 MPa，計(jì)算結(jié)果與文［3］完全一致。

5 結(jié)語

加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)計(jì)算是外壓容器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，利用文中公式可一次確定矩形加強(qiáng)圈的截面尺寸，無需反復(fù)計(jì)算，安全可靠，已在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中多次采用，具有廣泛的使用價(jià)值。

 摘要: 本實(shí)用新型公開了一種筒形容器內(nèi)加強(qiáng)圈自動(dòng)輸送撐圓裝置，包括：裝卡單元、調(diào)整機(jī)頭、輸送臂、機(jī)架、滾輪架和筒形容器，所述裝卡單元安裝在調(diào)整機(jī)頭上，所述輸送臂的一端固定連接調(diào)整機(jī)頭，輸送臂的另一端固定安裝在機(jī)架上，所述滾輪架設(shè)置在輸送臂的下方，所述筒形容器安裝在滾輪架上。從以上特點(diǎn)，可以看出，冷擠壓工藝與目前各種加工方法比較，具有突出的優(yōu)越性。通過上述方式，本實(shí)用新型筒形容器內(nèi)加強(qiáng)圈自動(dòng)輸送撐圓裝置能夠很好地保證筒形容器的圓度，將手工操作轉(zhuǎn)化為機(jī)械化操作，動(dòng)作精度高，體積小，耗能少，運(yùn)行成本低，操作方便，采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以大大節(jié)約時(shí)間成本和人工成本，提高了生產(chǎn)效率

 在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范里，外壓加強(qiáng)圈可以設(shè)置在內(nèi)部也可以設(shè)置在外部，對(duì)于內(nèi)加強(qiáng)圈和外加強(qiáng)圈，規(guī)范采用的公式是一樣的，在規(guī)范里，這兩者并沒有不同。

但是實(shí)際情況是，內(nèi)外肯定是有少許差別的。如果只考慮受力問題，那么到底是外加強(qiáng)圈好還是內(nèi)加強(qiáng)圈好呢？

外加強(qiáng)圈好的理由是：用的材料多，慣性矩大。

內(nèi)加強(qiáng)圈好的理由是：內(nèi)加強(qiáng)圈是受壓，尺寸更小，更不容易失穩(wěn)。

 當(dāng)加強(qiáng)圈都很強(qiáng)的時(shí)候，對(duì)于殼體的加強(qiáng)是基本一致的。強(qiáng)的加強(qiáng)圈和較強(qiáng)的加強(qiáng)圈都起加強(qiáng)作用，殼體的許用外壓值是一樣的。然而，疾風(fēng)知?jiǎng)挪荩迨幾R(shí)忠臣，路遙知馬力，日久見人心。當(dāng)加強(qiáng)圈漸漸衰弱，殼體的許用外壓值會(huì)慢慢變化，同樣截面的加強(qiáng)圈，由于心態(tài)的變化，對(duì)母體的支持程度是不一樣的。但隨著反彈進(jìn)入第段，指數(shù)反彈乏力開始高位滯漲后，個(gè)股則加速發(fā)力迎來明顯補(bǔ)漲機(jī)會(huì)。那么我們就來試試究竟是內(nèi)向好還是外向好。

試驗(yàn)手段是采用ansys的做一個(gè)屈曲分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的屈曲特征值，用來定性分析內(nèi)外加強(qiáng)圈的不同。

為了一次達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模紫任覀冃枰x擇一個(gè)不那么強(qiáng)的加強(qiáng)圈。

 加強(qiáng)圈計(jì)算不合格才是我們需要的，如果加強(qiáng)圈合格，內(nèi)外計(jì)算得到的結(jié)果一樣，那就沒法比較了。

選擇和SW6試算過的計(jì)算模型：筒體材料為Q345R，尺寸為1000*8 L=3000，內(nèi)外加強(qiáng)圈均為60*10的扁鋼。那么到底是內(nèi)加強(qiáng)圈好還是外加強(qiáng)圈好呢？

首先計(jì)算加強(qiáng)圈在外側(cè)的模型

 約束施加：

兩個(gè)端面上節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)成柱面坐標(biāo)，限制轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向位移。

施加外壓1Mpa。

采用特征值法計(jì)算臨界屈曲載荷，得到的變形結(jié)果，從變形波數(shù)可以得到，這是個(gè)短圓筒。

臨界壓力為1.82266MPa。即許用外壓為1.82266MPa。一般筒體的許用外壓，采用特征值法的時(shí)候，安全系數(shù)取3~4。

再計(jì)算加強(qiáng)圈在內(nèi)側(cè)的模型，與外側(cè)模型約束和載荷一樣。得到的失穩(wěn)波形如下圖，和上面的失穩(wěn)波形完全一樣。真是幸福的家庭有著相同的幸福，相同的短圓筒有著相同的波形。

內(nèi)部加強(qiáng)圈的臨界失穩(wěn)壓力為1.90028MPa。

從定性上來說，內(nèi)部的加強(qiáng)圈臨界失穩(wěn)壓力大于外部加強(qiáng)圈的臨界失穩(wěn)壓力。那么可以初步下這么個(gè)結(jié)論：

如果只考慮受力，相同尺寸的加強(qiáng)圈，內(nèi)加強(qiáng)圈效果比外加強(qiáng)圈效果略好。

從數(shù)值上講，文中的例子，差距在除安全系數(shù)后，可以忽略不計(jì)。