第7章 内压薄壁容器的应力分析精选文档.ppt
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1、第7章 内压薄壁容器的应力分析本讲稿第一页,共四十页第一节第一节 内压薄壁圆筒的应力分析内压薄壁圆筒的应力分析一、薄壁容器及其应力特点一、薄壁容器及其应力特点1.薄壁容器与厚壁容器薄壁容器与厚壁容器如果如果S/Di0.1或或K=DO/Di1.2则为则为薄壁容器薄壁容器;如果如果S/Di0.1或或K=DO/Di1.2则为则为厚壁容器厚壁容器。注:注:S为为容器壁厚,容器壁厚,DO、Di分分别别容器的外直径与内直径容器的外直径与内直径2本讲稿第二页,共四十页2.2.薄壁容器的应力特点薄壁容器的应力特点薄膜应力薄膜应力:容器的圆筒中段:容器的圆筒中段处,可以忽处,可以忽略薄壁圆筒变形前后圆周方向曲率
2、半径变略薄壁圆筒变形前后圆周方向曲率半径变大所引起的弯曲应力。用大所引起的弯曲应力。用无力矩理论来无力矩理论来计算计算。弯曲应力弯曲应力:在凸形封头、平底盖与筒体联接:在凸形封头、平底盖与筒体联接处处和和,则因封头与平底的变形小于筒,则因封头与平底的变形小于筒体部分的变形,边缘连接处由于变形谐调形体部分的变形,边缘连接处由于变形谐调形成一种机械约束,从而导致在边缘附近产生成一种机械约束,从而导致在边缘附近产生附加的弯曲应力。必须用复杂的附加的弯曲应力。必须用复杂的有力矩理论有力矩理论及变形谐调条件及变形谐调条件才能计算。才能计算。3本讲稿第三页,共四十页环环向(周向)向(周向)应应力力:当其承
3、受内:当其承受内压压力力P作用以后,其直径要稍微增大,作用以后,其直径要稍微增大,故筒壁内的故筒壁内的“环环向向纤维纤维”要伸要伸长长,因此在筒体的,因此在筒体的纵纵向截面上必定有向截面上必定有应应力力产产生,此生,此应应力称力称为环为环向向应应力,以力,以表示。由于筒壁很薄,可以表示。由于筒壁很薄,可以认认为环为环向向应应力沿壁厚均匀分布。力沿壁厚均匀分布。经经向(向(轴轴向)向)应应力力:鉴鉴于容器两端是封于容器两端是封闭闭的,在承受内的,在承受内压压后,筒体后,筒体的的“纵纵向向纤维纤维”也要伸也要伸长长,则则筒体横向截面内也必定有筒体横向截面内也必定有应应力力产产生,此生,此应应力称力
4、称为经为经向(向(轴轴向)向)应应力,以力,以m表示。表示。4本讲稿第四页,共四十页二、内压圆筒的应力计算公式二、内压圆筒的应力计算公式介质压力在轴向的合力介质压力在轴向的合力P Pz z为:为:圆筒形截面上内力为应力的合力圆筒形截面上内力为应力的合力N Nz z:由平衡条件由平衡条件 得:得:P Pz zN Nz z0 0 【提示提示】在计算作用于封头上的总压力在计算作用于封头上的总压力PzPz时,严格地讲,应采用筒体内径,但时,严格地讲,应采用筒体内径,但为了使公式简化,此处近似地采用平均直径为了使公式简化,此处近似地采用平均直径D D。1.轴轴向向应应力力m的的计计算公式算公式5本讲稿第
5、五页,共四十页分离体的取法分离体的取法:用一通过圆筒轴线的纵截面:用一通过圆筒轴线的纵截面B-BB-B将圆筒剖开,移走上半部,将圆筒剖开,移走上半部,再从下半个圆筒上截取长度为再从下半个圆筒上截取长度为l的筒体作为分离体。的筒体作为分离体。2.环环向向应应力力的的计计算公式算公式 由由 得:得:P Py yN Ny y0 0 薄壁圆筒承受内压时,其环向应力是轴向应力的两倍。薄壁圆筒承受内压时,其环向应力是轴向应力的两倍。6本讲稿第六页,共四十页 在圆筒上开设椭圆形孔时,应使椭圆孔之短轴平行于筒在圆筒上开设椭圆形孔时,应使椭圆孔之短轴平行于筒 体的轴体的轴线,以尽量减小纵截面的削弱程度。线,以尽
6、量减小纵截面的削弱程度。筒体承受内压时,筒壁内的应力与壁厚筒体承受内压时,筒壁内的应力与壁厚S S成反比,与中径成反比,与中径D D成正成正比。比。3.3.内压薄壁圆筒的应力特点在工程中的应用内压薄壁圆筒的应力特点在工程中的应用 7本讲稿第七页,共四十页第二节第二节 回转壳体的薄膜理论回转壳体的薄膜理论一、基本概念与基本假设一、基本概念与基本假设1.1.基本概念基本概念回转壳体回转壳体:壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定:壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转轴线旋转3603600 0而成的壳体。而成的壳体。轴对称轴对称:壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于
7、回转:壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于回转轴的。轴的。8本讲稿第八页,共四十页 中间面中间面:中间面是与壳体内外表面等距离的中曲面,内外表:中间面是与壳体内外表面等距离的中曲面,内外表面间的法向距离即为壳体壁厚。面间的法向距离即为壳体壁厚。母线母线:回转壳体的中间面是由平面曲线绕回转轴旋转一周而成的,:回转壳体的中间面是由平面曲线绕回转轴旋转一周而成的,形成中间面的平面曲线称为母线。形成中间面的平面曲线称为母线。经线经线:过回转轴作一纵截面与壳:过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。体曲面相交所得的交线。经线与母经线与母线的形状完全相同线的形状完全相同。法线法线:过经线上任意
8、一点:过经线上任意一点M垂直于中垂直于中间面的直线,称为中间面在该点的法间面的直线,称为中间面在该点的法线。线。法线的延长线必与回转轴相交法线的延长线必与回转轴相交。9本讲稿第九页,共四十页纬纬线线:如如果果作作圆圆锥锥面面与与壳壳体体中中间间面面正正交交,得得到到的的交交线线叫叫做做“纬纬线线”;过过N N点点作作垂垂直直于于回回转转铀铀的的平平面面与与中中间间面面相相割割形形成成的的圆圆称称为为“平行圆平行圆”,平行圆即是纬线。,平行圆即是纬线。第第一一曲曲率率半半径径:中中间间面面上上任任一一点点M M处处经经线线的曲率半径,的曲率半径,R Rl l=MK=MK1 1。第第二二曲曲率率半
9、半径径:过过经经线线上上一一点点M M的的法法线线作作垂垂直直于于经经线线的的平平面面与与中中间间面面相相割割形形成成的的曲曲线线EMEM,此此曲曲线线在在M M点点处处的的曲曲率率半半径径称称为为该该点点的的第第二二曲曲率率半半径径R R2 2。第第二二曲曲率率半半径径的的中中心心K K2 2落在回转轴上,落在回转轴上,R R2 2=MK=MK2 2。10本讲稿第十页,共四十页母线母线第一曲率半径第一曲率半径O1 A R1 第二曲率半径第二曲率半径回转轴回转轴R2 O 第一曲率半径与母线有关;第一曲率半径与母线有关;第二曲率半径与回转轴位置有关;第二曲率半径与回转轴位置有关;问题问题1.1.
10、第一曲率半径与第二曲率第一曲率半径与第二曲率半径哪个大?半径哪个大?问题问题2.2.第一曲率半径与第二曲率半第一曲率半径与第二曲率半径有什么关系?径有什么关系?第一曲率半径和第二曲率半径均在第一曲率半径和第二曲率半径均在通过通过A A点的法线上。点的法线上。11本讲稿第十一页,共四十页 典型回转壳体的第一、第二曲率半径举例典型回转壳体的第一、第二曲率半径举例12球壳的第一、第二曲率半径相等,为球的球壳的第一、第二曲率半径相等,为球的半径半径R圆筒的第一曲率半径为无穷大,第二曲率圆筒的第一曲率半径为无穷大,第二曲率半径为圆筒的半径半径为圆筒的半径R本讲稿第十二页,共四十页2.2.基本假设基本假设
11、 除假定壳体是除假定壳体是完全弹性完全弹性的,即材料具有的,即材料具有连续性、均匀性连续性、均匀性和和各向同性各向同性;薄壁壳体通常还做以下假设使问题简化:薄壁壳体通常还做以下假设使问题简化:小位移假设小位移假设壳体受力以后,各点的位移都远小于壁厚。壳体变形后可以用变形前的壳体受力以后,各点的位移都远小于壁厚。壳体变形后可以用变形前的尺寸来代替。尺寸来代替。直法线假设直法线假设壳体在变形前垂直于中间面的直线段,在变形后仍保持直线,并垂直于壳体在变形前垂直于中间面的直线段,在变形后仍保持直线,并垂直于变形后的中间面。变形前后的法向线段长度不变,沿厚度各点的法向位变形后的中间面。变形前后的法向线段
12、长度不变,沿厚度各点的法向位移均相同,变形前后壳体壁厚不变。移均相同,变形前后壳体壁厚不变。不挤压假设不挤压假设壳体各层纤维变形前后相互不挤压。壳壁法向(半径方向)的应力与壳壳体各层纤维变形前后相互不挤压。壳壁法向(半径方向)的应力与壳壁其他应力分量比较是可以忽略的微小量,其结果就变为平面问题。壁其他应力分量比较是可以忽略的微小量,其结果就变为平面问题。13本讲稿第十三页,共四十页二、经向应力计算公式区域平衡方程二、经向应力计算公式区域平衡方程1.1.取分离体取分离体求经向应力时,采用的假想截面不是垂直于轴线的横截面,求经向应力时,采用的假想截面不是垂直于轴线的横截面,而是与而是与壳体正交的圆
13、锥面壳体正交的圆锥面。为了求得任一纬线上的经向应力,必须以该纬。为了求得任一纬线上的经向应力,必须以该纬线为锥底作一圆锥面,其顶点在壳体轴线上,线为锥底作一圆锥面,其顶点在壳体轴线上,圆锥面的母线长度即是圆锥面的母线长度即是回转壳体曲面在该纬线上的第二曲率半径回转壳体曲面在该纬线上的第二曲率半径R R2 2,如图所示。圆锥面将壳体分成,如图所示。圆锥面将壳体分成两部分,现取其下部分作分离体。两部分,现取其下部分作分离体。14本讲稿第十四页,共四十页2.2.静力分析静力分析作用在分离体上外力在轴向的合力作用在分离体上外力在轴向的合力P Pz z为:为:截面上应力的合力在截面上应力的合力在Z Z轴
14、上的投影轴上的投影N Nz z为:为:平衡条件平衡条件 得:得:PzPzNzNz0 0,即:,即:由几何关系知由几何关系知 区域平衡方程式区域平衡方程式 15本讲稿第十五页,共四十页三、环向应力计算微体平衡方程三、环向应力计算微体平衡方程1.1.微元体的取法微元体的取法三对曲面截取微元体:三对曲面截取微元体:一是壳体的内外表面;一是壳体的内外表面;二是两个相邻的、通过壳体轴线的经线平面;二是两个相邻的、通过壳体轴线的经线平面;三是两个相邻的、与壳体正交的圆锥面。三是两个相邻的、与壳体正交的圆锥面。16本讲稿第十六页,共四十页2.2.微元体的受力分析微元体的受力分析微元体的上下面:微元体的上下面
15、:经经向向应应力力m;内表面:内表面:内内压压p作用;作用;外表面不受力;外表面不受力;两个与两个与纵纵截面相截面相应应的面的面:环环向向应应力力。17本讲稿第十七页,共四十页3.3.微元体的静力平衡方程微元体的静力平衡方程微元体在其法线方向平衡,故所有的外载和内力的合力都取沿微元体在其法线方向平衡,故所有的外载和内力的合力都取沿微元体法线方向的分量。微元体法线方向的分量。内内压压p在微元体在微元体abcd面面积积沿法沿法线线n的合力的合力Pn为为:经经向向应应力的合力在法力的合力在法线线方向上的分量方向上的分量Nmn为为:环环向向应应力的合力在法力的合力在法线线方向的分量方向的分量Nn为为:
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