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浅析压力容器的科技辅助实验

作者:admin来源:中国压力容器网 日期:2011-12-24 9:24:47 人气: 标签:

  计算机技术的广泛应用已成为信息社会的重要标志之一。计算机应用能力已成为当代科技人员必备的基本技能,是当今大学生知识结构的重要组成部分。应用计算机辅助实验教学是加速实验教学改革的要求,是培养现代科技人才的迫切需要。

  随着时代的发展和科技的进步,传统的思想、教学方法、教学手段等都面临着挑战。尤其是随着计算机普及的深入,越来越多的学科领域运用计算机进行科学研究和教学。大力推广计算机辅助教学是教育和教学改革的重要内容,它将有力地促进教学内容和教学体制的改革,推动教学方法和教学手段的更新,并将在很大程度上改变传统的教育与教学模式。

  压力容器的应力测定在众多的工业部门中有着广泛的应用,应力测定是实现应力分析和进行设计研究的重要依据。对压力容器进行测试分析,可对新设计的压力容器进行技术鉴定,对旧的压力容器进行安全鉴定。内压容器应力的测试对化工生产来说是必不可少的对从事化工过程装备与控制专业的学生来说掌握测试方法也是十分重要的是教学大纲中规定的必做实验之一。

  锅炉及压力容器中很多受压元件都是由几个不同形状的壳体焊接而成的如封头、过渡段与筒体的连接等。在不同形状壳体的连接处受压元件的几何形状是不连续的。为了满足连接处的变形协调条件连接处将产生弯矩及横向力从而导致在连接处附近区域产生局部应力并且这个应力要比薄膜应力大得多但这种现象只发生在二者连接处的边缘地区,所以称之为“边缘应力”。可采用薄膜理论和力矩理论进行求解力矩理论和薄膜理论是过程装备的力学基础从事过程装备设计、制造的工程技术人员必须对这部分理论有一定的了解。对于过程装备与控制工程专业的学生来讲就更不用说了。另外由于边缘应力具有局部性其衰减的范围有多大对于不同的形状容器的连接来说也是不一样的这也是学生在学习时应该了解的。

  为了加强学生对于边缘应力的了解在理论学习的基础上很有必要通过实验的手段将实验装置上的容器边缘应力测试出来然后将测试结果与理论分析结果进行对比加深学生对边缘应力影响的印象。

  实验测试原理应力是物体由于外因(受力、温度变化等)或内在缺陷而产生变形时,在内部任一截面单位面积上形成的内力,压力容器的应力则是由于内压载荷在容器任一单位截面上产生的内力。由于各种原因(如容器材质的差异、壁厚的变化、曲率半径的不连续以及容器附件的安装等)使得容器不同截面上的应力产生较大差异,要直接测定这些应力的大小是很困难的,通常只能采用间接测量方法。压力容器应力测试的原理是通过电阻应变计先测量出容器表面不同部位的线应变,再通过广义虎克定律计算出容器不同部位的应力分布。

  广义虎克定律用于中、低压薄壁容器的计算公式如下分别为容器的轴向、环向主应力;为材料弹性模量;"为泊松比;分别为容器的轴向、环向主应变。很显然当容器材料一定时和为常量。如果能测出容器不同部位的轴向应变和环向应变则根据式即可计算出相应部位的应力分布。

  根据对封头与筒体相连处的受力分析知道在容器的外表面只存在两个应力它们分别是绕容器环向分布的环向应力和沿轴向分布的轴向应力这两个应力相互成由于它们之间没有剪应力存在这两个应力也可看成是容器外表面的主应力方向。因此在粘贴应变片时只采用两个单向的电阻应变片即可它们粘贴的方向必须要与容器的环向和轴向相平行,这样可以保证测量出来的应变与环向和轴向应力相对应。

  传统的压力容器应力测试方法传统的压力容器应力的测试是通过应变仪和多点测试箱的配合来实现的,学生通过手工进行数据采集并进行平衡然后加载后记录数据。其操作过程为6在容器上确定黏贴应变片的位置并作好记号按照粘贴应变片的操作规程将应变片粘贴在确定的位置。用导线将应变片的引出端焊接在一起并将导线的另一端与电阻平衡箱的接头相连平衡箱的引出信号线与静态电阻应变仪相连在静态电阻应变仪上对测试点作平衡调节当所有的粘贴应变片都调至零后开始给容器加压达到预定值后保持一定时间从静态电阻应变仪上读取数据,实验完成后学生回去进行数据处理、计算。应变仪的平衡不易调整,信号易漂移,人工读数测量速度慢,特别是测点较多时,处理数据的工作量大,数据处理要通过重复性计算,相当繁杂,有的一份实验报告学生需要花费几个晚上的时间才能完成,且难以保证精度。该技术虽然性能稳定,但设备自动化程度低,操作较为繁琐,测试速度慢,效率低,且缺乏人工智能,很难将测试结果直观地表达出来。

  将计算机技术用于压力容器的应力测定将计算机技术用于压力容器的应力测定,实现对传统测试手段的改进和更新。这种测试系统具有以下突出的优点:测试速度快、测量精度高。由于计算机强大的计算能力可以比较容易加入相应的程序实现数字滤波随时对测量误差进行恰当的补偿和修正通过这些手段可以得到高精度的测试结果。

  测试功能多、适应能力强。计算机自动测试系统可用于常规方法难以测量的场合对各种不同的被测物理量可通过软件进行自动分析、判断,甚至可以进行测量域的变换以适应不同物理量的测试。

  能自检、自校、自诊断。可采用多次重复测试求平均值等方法进一步提高测试精度。操作简便。测试过程完全由计算机来实现,使测量的灵活性和通用性更强。测试点参数设定全部通过计算机来完成,使数据采集系统的可靠性和稳定性进一步提高。具有打印输出和绘制高精度曲线的能力。

  利用计算机能够储存大量测试结果和中间结果,有利于实现快速多路测量,可以实现多种形式的数据储存,数据处理快速准确。:测试系统组成及工作过程我们运用计算机辅助对内压薄壁容器:种典型封头(锥型封头、半球型封头、椭圆型封头和平盖型封头)的应力进行测定。实验测试装置的组成如所示,实验装置的整体结构如所示。

  根据应力分布情况在每个被测容器试件上布点个,粘贴轴向和环向各片电阻应变片(传感器),将应变片的导线接入型静态应变仪的机箱,组成完整电桥。用高压油泵为容器提供压力,使其产生变形,粘贴在容器上的应变片也产生相应的变形,其电阻值也发生变化,型静态应变仪将应变片的电阻值变化转化成电压变化,信号在应变仪内部经过放大、滤波。整个系统在计算机的控制下按预先编制的程序,输入进行测试点编号设定、计算参数设置、数据采集设定。通过的测量点转换,在某时刻将该测点电压输出信号送到转换成相应的数字量,输入到计算机进行储存、处理、显示或打印输出。

  在每个容器试件上根据应力分布的规律不同每个容器取个测试点,分别为锥型封头容器、半球型容器、椭圆型封头容器和平盖型封头容器。材料为;测试材料的弹性模量为;泊松比为应变片灵敏度系数为;应变片电阻值;导线电阻;材料屈服极限。测量结果略,容器测点及应力分布。

  可以看到过渡区的应力分布曲线规律与理论分析所得的规律基本吻合。对于椭圆形封头来说E在过渡部分有环向应力为零轴向应力与筒体的薄膜应力相当而在筒体部分则轴向应力与环向应力之比为。这个规律在平盖封头上同样体现出来。但在图中也可以看到有个别测试点的结果与分析结果沿路径的应力分布曲线不相符其原因如下一是容器的形状可能存在局部不规则二是壁厚可能在加工时出现了拉伸减薄三是测试误差,四是应变片粘贴的误差等。尽管如此本实验装置的测试结果还是比较满意的。

  结语

  计算机技术用于压力容器应力测试是完全可行的。研究结果表明该技术比传统的压力容器应力测试技术速度快、效率高、操作简便。利用计算机按程序自动测试通常比人工测试速度快倍。系统性能稳定。实测数据具有较好的重现性而且应力、应变随压力的变化线性度高可为压力容器应力分析和设计研究提供可靠依据。

  本系统不仅适用于圆柱形壳体对于其他异型容器和各种机械()零部件的应力测定也具有推广应用价值。将先进的数据采集系统和过程控制系统集于本实验装置中保持了实验装置的先进性和新颖性测试的实验数据结果显示该实验装置能够满足实验教学的需要。

  计算机辅助实验的实践证明,通过实验激发了学生的学习热情及对实验的浓厚兴趣,使学生从被动做实验转化为主动探索实验规律,学生们对实验装置、操作步骤,都有了切实的感受,实验操作能力、分析问题的能力和解决问题的能力都大大加强。

  实验中所有得到的数据输入系统中进行数据处理,高速运行的计算机系统可立即输出实验结果以检验实验的正确性,发现问题,及时纠正。计算机辅助实验极大地提高了实验中数据处理的速度,节省了学生和教师的时间,并引入了一些新的数据分析方法,提高了教学效率和实验质量。

  计算机辅助实验是深受学生们欢迎的一种实验形式。学生通过使用计算机,将实验装置图形与实验操作很好地结合起来,更有利于学生对实验现象的观察、分析,促进了学生对专业的学习。将专业实验与计算机结合,不仅提高了实验教学的教学效果和教学质量,而且使学生对计算机的应用有了更深的了解,对计算机知识的掌握也更牢固,大大提高了学生的计算机应用能力。

  综上所述,实验教学中计算机的引入带来了很多的益处,更重要的是通过计算机辅助实验可使学生体验和掌握一种全新的实验方法,激发学生的学习兴趣和主动性,有利于培养学生的创新意识,提高教学质量。通过实验学生学会使用本学科领域内常用的一些工程软件,并能用它来解决某些专业问题,这一点无论对他们现阶段的课程学习,还是对他们将来从事专业技术工作都是十分有益的。

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