應(yīng)力知識(shí)在熱水瓶防爆上的應(yīng)用

吳月勇 曹明緯 朱文旺

(1.河海大學(xué) 港口航道與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

我們平時(shí)在使用保溫瓶接開水時(shí)，時(shí)常都有水瓶?jī)?nèi)膽玻璃突然爆炸碎裂的現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象在冬季尤為嚴(yán)重；今年入冬，身邊就又多起水瓶爆炸的現(xiàn)象。而且令人擔(dān)心的是許多保溫瓶?jī)?nèi)膽玻璃破碎是無(wú)法預(yù)計(jì)的，如地震、玻璃自爆。撞擊等。這些情形下，現(xiàn)在的保溫瓶可能大多沒(méi)有任何形式的防護(hù)，這樣危險(xiǎn)的不確定性就更大了。之前有一些人對(duì)開水瓶做過(guò)改進(jìn)，他們大多采用以下兩種方式：一是采用金屬材料制作保開水瓶，金屬瓶膽雖然堅(jiān)固耐用，不易損壞，但導(dǎo)熱率遠(yuǎn)大于玻璃，制成的瓶膽保溫效能較差，且較普通開水瓶重；二是用塑料制成的單層或雙層壁容器，填充泡沫塑料隔熱，輕巧方便，不易破碎，但其保溫效能比真空瓶膽差。

為了克服服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種帶有防爆膜的防爆熱水瓶。它與傳統(tǒng)開水瓶最大的不同是在水瓶?jī)?nèi)膽外覆有防爆膜。使其在不增加水瓶重量的條件下起到防爆或者減小爆炸傷害的作用。

所述防爆膜為條狀PET 膜，防爆膜的粘貼角度與內(nèi)膽徑向軸線的夾角為40～50 度，防爆膜許可寬度為內(nèi)膽內(nèi)徑的2～4 倍。所述防爆膜防爆膜的粘貼角度與內(nèi)膽徑向軸線的夾角為45 度，防爆膜許可寬度為內(nèi)膽內(nèi)徑的3.14 倍。有益效果：本實(shí)用新型的有益效果是在不明顯增加開水瓶重量，保證開水瓶保溫效果的基礎(chǔ)上，提高開水瓶?jī)?nèi)膽防爆性能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于推廣。

附圖說(shuō)明：

圖1 是本防爆熱水瓶的正面半剖視圖。

圖2 是本防爆熱水瓶的內(nèi)膽計(jì)算模型圖。

圖3、4、5、6、7 是本防爆熱水瓶的計(jì)算簡(jiǎn)圖

具體實(shí)施方式：

如圖1 所示的一種防爆開水瓶，包括有內(nèi)膽1，所述內(nèi)膽1 外覆有條狀PET 膜作為防爆膜2，防爆膜2 的粘貼角度與內(nèi)膽1 徑向軸線的夾角為45 度，防爆膜2 許可寬度為內(nèi)膽1 內(nèi)徑的3.14 倍。

如圖2 所示，設(shè)內(nèi)膽1 內(nèi)直徑為D，內(nèi)膽1 厚度δ 遠(yuǎn)小于內(nèi)膽1內(nèi)直徑D，將內(nèi)膽1 簡(jiǎn)化為一圓柱形壓力容器，將防爆膜2 粘貼其上，防爆膜2 與內(nèi)膽1 橫截面夾角為θ，防爆膜2 的寬度為b。容器內(nèi)蒸汽壓為P，防爆膜2 能承受的最大應(yīng)力為W，那么由圓筒受力對(duì)稱性可知，圓筒橫截面處各點(diǎn)的正應(yīng)力σ1 相等。

如圖3、圖4 所示，設(shè)F 代表力，圓筒橫截面上的正應(yīng)力σ2=F/A=P*(πD^2)/4=(PD)/(4δ)由于δ 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于D，故計(jì)算中圓筒橫截面積A=π Dδ。

如圖5 所示，為計(jì)算圓筒縱截面上的正應(yīng)力σ1，假想地截取一段單位長(zhǎng)的圓筒，沿縱截面將其切開，并研究其上半部分。由于圓筒上下部分的對(duì)稱性，所以，縱截面上沒(méi)有切應(yīng)力，對(duì)于δ 遠(yuǎn)小于D 的薄壁圓筒，可以認(rèn)為縱截面上個(gè)點(diǎn)的σ2 相等，而該段圓筒內(nèi)表面上壓力的合力Fp=PD，于是由上半部分圓筒的平衡方程∑Fy=0，PD-2，σ1*δ*1=0，即得σ1=PD/(2δ)（y 是下標(biāo)，即∑Fy=0 來(lái)表示徑向壓力的合力為0），容器內(nèi)表面上任一點(diǎn)處沿直徑方向的正應(yīng)力為σ3=-P，于是，可得圓筒內(nèi)表面上各點(diǎn)的應(yīng)力分別為σ1=PD/(2δ)、σ2=(PD)/(4δ)、σ3=-P，由于D/(4δ) 遠(yuǎn)大于1，即σ3 得絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于σ1 和σ2，故可以視σ3=0，如圖6 所示，可得圓筒各點(diǎn)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。

上述中σ1、σ2、σ3 均需小于W所述防爆膜2 呈條狀，寬度（即許可寬度）為b，如圖7 可得防爆膜2 的粘貼接縫方位角θ（“防爆膜2 與內(nèi)膽1 橫截面夾角θ”與本方位角θ 為同一角）的正弦、余弦分別為sinθ=b/(∏D)，cosθ=√((∏D)**2-b**2)/(∏D)，防爆膜2 接縫處拉應(yīng)力σθ 應(yīng)滿足的條件為σθ=σ1*sinθ**2+σ2*cos**2＜=σ1 即防爆膜2 條內(nèi)最大拉力，將σ1、σ2、sinθ、cosθ 代入式中得b＜=(∏D)=3.14D，所以防爆膜2 的許可寬度b 為內(nèi)膽1 內(nèi)徑的3.14 倍。

由第三強(qiáng)度理論可得最危險(xiǎn)點(diǎn)位于圓球部分，可以在圓球部分適當(dāng)增加防爆膜2 的厚度，為了安全可為其它部分的兩倍。

如附圖6，最大切應(yīng)力作用面為附圖六中的陰影面，其與σ2 與σ1 各成45 度，所以θ 取45 度最安全。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

［1］孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)泰來(lái).材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009，7.

［2］王非.壓力容器設(shè)計(jì)應(yīng)力分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011，1.