11143

Тонкостенные осесимметричные оболочки и толстостенные цилиндры

Реферат

Математика и математический анализ

Тонкостенные осесимметричные оболочки и толстостенные цилиндры. Тонкостенные осесимметричные оболочки Тонкостенной осесимметричной называется оболочка имеющая форму тела вращения т. е. оболочка полярно симметричная относительно некоторой оси толщина которой в

Русский

2013-04-05

487.5 KB

69 чел.

Тонкостенные осесимметричные оболочки и толстостенные цилиндры.


Тонкостенные осесимметричные оболочки

Тонкостенной осесимметричной называется оболочка, имеющая форму тела вращения (т. е. оболочка, полярно симметричная относительно некоторой оси), толщина которой весьма мала по сравнению с радиусами кривизны  ее поверхности.

На рис. 2.13.1,а изображена срединная поверхность осесимметричной оболочки. Выделим из нее бесконечно малый элемент двумя меридиональными плоскостями тт1т2 и тт3т2 (т. е. плоскостями, проходящими через ось симметрии оболочки) с углом dφ между ними и двумя плоскостями, перпендикулярными оси симметрии оболочки, одна из которых пересекает срединную поверхность оболочки по линии ВС, а другая — по линии AD.

Рис. 2. 13.

Радиусы 02А и 02В кривизны срединной поверхности элемента ABCD в меридиональной плоскости обозначим рm, а радиусы 01В и О1С ее кривизны в плоскости, перпендикулярной меридиану,— ρθ (рис.2.13, б).

Расчеты тонкостенных осесимметричных оболочек выполняют при проектировании различных резервуаров, газгольдеров, котлов и т. д. Нагрузки, действующие на внутреннюю поверхность такой оболочки, перпендикулярны этой поверхности и симметричны относительно  оси  симметрии  оболочки.

Если оболочка достаточно тонкая, при расчете можно пренебречь изгибом поверхности оболочки и считать, что напряжения по толщине стенки оболочки распределены равномерно. Такой расчет называется расчетом по безмоментной теории.

Если оболочка недостаточно тонкая, имеет резкие переломы в очертании, жесткие закрепления и нагружена сосредоточенными силами или моментами, то в зонах, прилегающих к местам переломов, закреплений, приложения нагрузки, а также у краев оболочки возникает изгиб. Однако по мере удаления от этих мест изгибающие моменты быстро затухают; поэтому расчет удаленных зон таких оболочек может производиться по безмоментной теории.

Рис. 2. 13.

Элемент ABCD оболочки в ортогональных проекциях показан на рис. 2.13.2, а. По боковым граням элемента АВ и CD, совпадающим с меридиональными плоскостями, в силу симметрии оболочки и нагрузки касательные напряжения равны нулю; по этим граням действуют лишь нормальные напряжения σθ (окружные  напряжения).

Из закона парности касательных напряжений следует, что касательные напряжения по боковым граням ВС и AD также равны нулю; по этим граням действуют лишь нормальные напряжения σm (меридиональные напряжения). Кроме напряжений σθ и σm на элемент оболочки действует нагрузка в виде давления р, перпендикулярного поверхности ABCD.

Составим условие равновесия бесконечно малого элемента оболочки в виде суммы проекций приложенных к нему сил на ось v, совпадающую с нормалью к поверхности ABCD:

где δ — толщина элемента ABCD оболочки.

В этом уравнении величина  представляет собой силу, действующую на каждую из боковых граней АВ и CD элемента оболочки, a  —на каждую из боковых граней ВС и AD (рис. 2.13.2, б). Величина  равна проекции обеих сил , а  — проекции сил  на ось v. Углы d1, и d2/2 показаны на рис. 2.13.1,б и 2.13.2, а. Произведение представляет собой проекцию нагрузки, приложенной к элементу A BCD на ось v.

Вследствие малости углов d1, и d2/2 их синусы равны значениям углов, а потому

 и 

Подставив эти значения синусов в выражение (а), после сокращения на dsl, ds2 получим

(2.13.1)

Формула (2.13.1) носит название уравнения Лапласа. Она используется для определения напряжений в стенке тонкостенной оболочки. Конечно, определить из одного уравнения две неизвестные величины и  невозможно; поэтому определить напряжения в стенке оболочки можно лишь на основе совместного решения уравнения Лапласа и уравнения равновесия части оболочки, отсеченной конической поверхностью, перпендикулярной меридианам. Исключением является сферическая (шаровая) оболочка, находящаяся  под действием газового давления; для нее

где D — диаметр сферы и  вследствие центральной симметрии оболочки и действующей на нее нагрузки, а потому из уравнения (2.13.1)

(2.13.2)

Для оболочки, имеющей форму цилиндра или конуса, из уравнения Лапласа можно определить , даже если  еще неизвестно. Это следует из того, что в указанных случаях  (меридиан оболочки представляет собой прямую линию) и, значит, , поэтому

В случае газового давления величина р постоянна во всех точках поверхности оболочки; для резервуаров, наполненных жидкостью, значение р по их высоте переменно.

Расчет толстостенных цилиндров

Толстостенным называется такой цилиндр, для которого отношение толщины стенки к внутреннему диаметру не менее 1/20; при меньшем отношении цилиндр можно рассчитывать как тонкостенную оболочку.

Рассмотрим задачу о расчете толстостенного цилиндра, подвергающегося действию равномерно распределенных наружного давления рн и внутреннего давления рв (рис. 2.13.3, а). Такая нагрузка не может вызывать деформации изгиба цилиндра.

При расчете толстостенных цилиндров нормальные напряжения  в сечениях плоскостями, проходящими через ось О симметрии (рис. 13.3, а), нельзя считать равномерно распределенными по толщине стенки, как это делается при расчете тонкостенных цилиндров. Нормальные напряжения , действующие по цилиндрической поверхности с радиусом  (рис. 2.13.3, а) могут быть того же порядка и даже превышать напряжения , что при тонкостенных цилиндрах невозможно. Поэтому расчет толстостенных цилиндров нельзя производить по формуле (2.13.1), применяемой при расчете тонкостенных осесимметричных оболочек.

Рис. 2. 13.

В связи с полярной симметрией цилиндра и нагрузки нормальные напряжения  и  являются главными напряжениями; в площадках, по которым они действуют, касательные напряжения равны нулю.

Третьим главным напряжением в каждой точке толстосенного цилиндра является напряжение , действующее по площадке, совпадающей с поперечным сечением цилиндра, т. е. с сечением плоскостью, перпендикулярной его оси симметрии.

При выводе расчетных формул рассмотрим открытые цилиндры, т. е. цилиндры, не имеющие днищ. Напряжения  в таких цилиндрах равны нулю.

Точное решение, выполненное методами теории упругости, показывает, что поперечные сечения цилиндра, плоские до его нагружения, остаются плоскими и после нагружения и что, следовательно, относительная деформация  в направлении оси симметрии одинакова во всех точках поперечного сечения. На основании закона Гука при

при  

откуда

(2.13.3)

Из полученного выражения следует, что сумма напряжений

и  одинакова для всех точек цилиндра.

На рисунке 2.13.3, б изображен элемент, выделенный из толстостенного цилиндра двумя цилиндрическими поверхностями радиусами  и , двумя плоскостями, проходящими через ось симметрии цилиндра и образующими друг с другом угол , и двумя поперечными сечениями, отстающими друг от друга на расстоянии, равном единице. Все грани элемента совпадают с главными площадками.

Составим уравнение равновесия в виде суммы проекций действующих на элемент сил на нормаль к цилиндрическим поверхностям, проведенную через их центры:

Сокращая это выражение на  и отбрасывая величины второго порядка, находим

Заменим в этом уравнении  на

или, учитывая, что

,

получаем

Проинтегрировав последнее уравнение, найдем

, (2.13.4)

где С – постоянная интегрирования.

постоянные А и С определим из граничных уловий на поверхности цилиндра:

а) на внутренней поверхности цилиндра: ,  и следовательно,

; (2.13.5)

б) на наружной поверхности цилиндра: ,  и, следовательно,

(2.13.6)

Решив совместно уравнения (2.13.5) и (2.13.6), найдем

;

Подставляя константы в уравнение (2.13.4). После преобразований

(2.13.7)

Из уравнения 2.13.3

(2.13.8)

Равенства (2.13.7) и (2.13.8) носят название формул Ламе. В этих формулах расстояние  от точки до оси цилиндра учитывается отношениями  и

Из формул (2.13.7) и (2.13.8) следует, что при действии только внутреннего давления напряжения  в любых точках цилиндра положительны и по абсолютной величине больше напряжений . Наибольшего значения напряжения  достигают у точек внутренней поверхности цилиндра.

Эпюры напряжений от действия только наружного и только внутреннего давления показаны на рис. 2.13.4

Рис. 2. 13.

Наибольшее значение напряжения  можно уменьшить путем применения составных толстостенных цилиндров, состоящих из нескольких более тонких труб, надетых друг на друга (рис. 2.13.5).

Рис. 2. 13.

Вторая труба изготовляется с внутренним диаметром, несколько меньшим наружного диаметра первой трубы. а третья – с внутренним диаметром, меньшим наружного диаметра второй трубы, и т. д.

Перед надеванием второй трубы на первую, ее нагревают настолько, чтобы внутренний диаметр, увеличившись от нагрева, стал несколько больше наружного диаметра первой трубы. В процессе остывания вторая труба сжимает первую. Аналогично на вторую трубу надевают третью и т. д.

Способ уменьшения напряжений путем замены сплошного цилиндра составным предложен в середине 19 века академиком А. В. Гадолиным, который дал и метод расчета составных цилиндров.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46060. Кинематика и динамика вращательного движения АТТ 500.5 KB
  Кинематические характеристики частицы (поступательного движения АТТ) – перемещение , скорость и ускорение не могут служить характеристиками АТТ, участвующего во вращательном движении (для разных точек АТТ они разные). Нужны другие характеристики.
46061. Ламбдацизм. Определение, этиология, виды. Логопедические технологии устранения ламбдацизма у детей 30.5 KB
  Во время правильного произнесения звука л органы речи принимают следующее положение: губы раскрыты занимают нейтральное положение или принимают положение последующего гласного звука; зубы незначительно разомкнуты; язык узкий кончик языка поднимается и упирается в верхние резцы или их десны средняя часть языка опущена боковые края тоже опущены; между боковыми краями языка и коренными зубами остается щель через которую выходит воздушная струя.Артикуляция твердого звука л сложнее артикуляции ль поэтому нарушение его произношения...
46062. Ротацизм. Определение, этиология, виды. Логопедические технологии устранения ротацизма у детей 36.5 KB
  Причины нарушения звуков р и рь: укороченная подъязычная связка уздечка ограничивающая движение вверх кончика языка и передней части спинки языка; слабость мышц языка; неумение выполнять языком произвольные целенаправленные движения; нарушения фонематического слуха.Звук р согласныйвоздушная струя встречает преграду;язычный переднеязычный передненебный передняя часть языка направляется к передней части неба;смычный дрожащий вибрант образуется путем вибрации кончика языка смыкании и размыкании его около альвеол;сонорный...
46063. Каппацизм и йотацизм. Определение, этиология, виды. Логопедические технологии устранения каппацизма и йотацизма. Каппацизм – дефект произношения нёбных звуков к, к 18.5 KB
  Кончик языка опущен но не прикасается к нижним зубам. Корень языка поднят и смыкается с небом.Предложите ребенку произносить слоги татата и одновременно с этим нажимайте шпателем или плоским концом ложечки на кончик языка отодвигайте язык отт нижних зубов глубь рта. Таким образом спинка языка все больше выгибается и соответственно получается тятятя потом кякякя и наконец когда происходит смычка спинки языка с небом должно получиться какака.
46064. Нарушение звукопроизношения по звонкости – глухости, твёрдости – мягкости. Логопедические технологии устранения этих дефектов 32 KB
  Исправление данного недостатка следует начинать со щелевых звуков в з жА потом квзрывным б д г. громкое ишёпотное произнесение гласных звуков отрывисто и длительно. Озвончение щелевых звуков не всегда удаётся вызвать сразу это связано с тем что как правило в этих случаях есть какой то вид сигматизма. При этом он обращает внимание ребенка не только на различие в звучании звуков но и на то что в момент произнесения твердого звука в можно прикоснувшись рукой к гортани ощущать её вибрацию.
46065. Игры в логопедической работе с детьми. Системы игр, анализ методической литературы 15 KB
  Игры в логопедической работе с детьми. Игры используют в любые режимные моменты как на занятиях так и вне. Подготовительный этап: игры на развитие всех психических функций. Далее игры на развитие артикуляционной моторики.
46066. Личность логопеда. Сферы деятельности логопеда, функциональные обязанности, профессионально значимые качества. Организация логопедической помощи населению России 36 KB
  Логопед должен уметь распознавать речевые нарушения владеть приёмами и методами их устранения и коррекции специальными методами обучения детей с речевыми расстройствами родному языку как в дошкольном так и в школьном возрасте проводить профилактическую работу по предупреждению неуспеваемости хорошо знать психологические особенности детей с речевой патологией использовать приемы и методы их воспитания корреляции и развития у них высших корковых функций. Первостепенное значение для эффективности работы по обучению воспитанию...
46067. Теоретические и методологические основы специальной педагогической науки об обучении, воспитании, лиц с нарушениями речи 19 KB
  Теоретические и методологические основы специальной педагогической науки об обучении воспитании лиц с нарушениями речи. Логопедия это наука о нарушениях речи методах их выявления и устранения средствами специального обучения и воспитания. Термин логопедия происходит от греческих корней логос слово и пайдео воспитываю обучаю и в переводе означает воспитание правильной речи. Предметом логопедии как науки являются нарушения речи и процесс обучения и воспитания лиц с нарушением речевой деятельности.
46068. Основные положения учения об этиологии речевых нарушений 19.5 KB
  Основные положения учения об этиологии речевых нарушений. Еще в древности греческий философ и врач Гиппократ видел причину ряда речевых расстройств в частности заикания в поражениях мозга. Другой греческий философ Аристотель связывая процессы речеобразования с анатомическим строением периферического речевого аппарата усматривал причины речевых расстройств в нарушениях последнего. Таким образом уже в исследованиях античных ученых наметилось два направления в понимании причин речевых нарушений.