压力容器虚拟应力测试分析仪的开发

　　0　引言

　　压力容器在工业生产中有着广泛的应用,对压力容器应力的安全检测是压力容器的基本要求。传统的检测方法是用应变仪对其进行测量,但处理速度和数据运算慢。随着微电子技术、传感器技术和计算机技术的飞速发展引发了仪器仪表技术的深刻变革。美国NI(National Instruments)公司首先提出的Virtual Instru-ment的概念,更为仪器技术的发展开辟了新领域,逐步形成了一个以计算机为基础,以软件为核心的完整的仪器体系。虚拟仪器可以充分利用计算机的计算、显示以及通信能力,通过软件,将由制造商定义的传统仪器转变为由用户灵活地自定义,并且可以轻易地将数据采集、仪器控制硬件以及原有的仪器设备进行整合,从而构成完全符合个性需求的仪器系统。

　　我们针对压力容器中应力的测量,设计了一个压力容器应力虚拟测试仪。该设计以计算机为核心,利用Lab-VIEW的图形化编辑功能,实现对应力测试数据的处理,自动绘制出应力分布曲线,并可与理论计算结果相比较。

　　1　压力容器测试

　　压力容器分为球形封头压力容器、椭球封头压力容器、平板封头压力容器和锥形封头压力容器4种(见图1)。每一种容器都由封头和圆筒壁两部分组成。在压力容器安全检测中,需要测定压力容器承受内压作用时圆筒体及封头上的应力分布。

　　按照实际需要,我们把此应力分析仪的设计分成3个部分:

　　①根据外界采集到的应变信号对压力容器进行实际应力分析;

　　②对压力容器进行理论应力分析;

　　③对压力容器上某一确定点进行不同压力下的应力分析。

　　2　实测应变应力分析

　　由中低压容器设计的薄壳分析可知,薄壁回转容器在承受内压作用时,在离开与封头连接边缘处的容器壁厚上将产生经向(轴向)和周向(切向)主薄膜应力σφ与σθ,相应的主薄膜应变为εφ和εθ。

　　在实验中,采用应变片来获得压力的变化规律。根据广义虎克定律:

　　实验用压力容器为普通碳素钢,弹性模量E=2×10⁵MPa,泊松比μ=0.3。根据应力与应变的关系,就可以确定被测部位的应力,设计出LabVIEW程序(见图2),图2中0.3为μ值,0.22为E/(1-μ2)的计算值。

　　3　理论应力计算分析

　　依据回转薄壳的应力强度计算理论,得到受内压p作用时的应力公式[4]:

　　式中:d为壳体厚度;R1为曲面的第一主曲率半径;R2为曲面的第二主曲率半径。

　　根据t,R1及R2的不同值,可以分别得出不同壳体厚度的球形封头、椭球封头、平板封头和锥形封头压力容器的应力分析结果,完成LabVIEW的程序设计。