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

58 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

39621. Основные направления совершенствования налоговой политики государства 1.87 MB
  Cоциальноэкономическая сущность налогов и налоговой политики.3 Зарубежный опыт организации налоговой политики. Методологические принципы налоговой политики.1 Тенденции современной налоговой политики РФ: элементы состав и эволюция в условиях рыночных отношений.
39622. Приемы измерения социальной установки 141.5 KB
  Это наиболее простой вид шкалы измерения установки. При конструировании шкалы самооценки в форме €œтрадиционного€ вопроса её позиции обязательно располагаются симметрично и состоят из равного числа положительных и отрицательных оценок разделённых €œнейтральной€ позицией. Наиболее простой приём измерения установок по правилам такой шкалы ранжирование респондентами тех объектов отношение к которым с их стороны интересует исследователя. Более сложный вариант измерения установок при помощи ранговой шкалы метод парных сравнений.
39623. Разработка типового проекта «дублирующего» родильного дома 748.5 KB
  В рамках своего дипломного проекта я рассматриваю актуальные проблемы существующей системы учреждений родовспоможения в г. Цель 1 создать условия при которых здоровые беременные женщины и роженицы могли гарантировано получать медицинскую помощь в учреждениях родовспоможения обслуживающих район их места жительства; 2 улучшить условия получения медицинской помощи беременными женщинами и роженицами с патологиями. Таким образом деятельность перинатального центра не разгружает основной поток рожениц приходящийся на учреждения родовспоможения...
39624. Социальная установка. Определение и классификация 65.5 KB
  Исследования понятия и динамики социальных установок Понятие которое в определенной степени объясняет выбор мотива побуждающего личность к деятельности есть понятие социальной установки. Традиция изучения социальных установок сложилась в западной социальной психологии и социологии. Для обозначения социальных установок используется термин аттитюд. Особенности формирования социальных установок связаны с тем что они обладают некоторой устойчивостью и несут в себе функции облегчения алгоритмизации познания а также инструментальную функцию...
39625. Социальные сети как инструмент развития: виды и возможности 45 KB
  Могут ли сети упростить работу тренингменеджера Какие возможности они открывают для получения сотрудниками необходимых им знаний Trainings. Социальные сети в интернете зародились в 90х годах причем как профессиональное музыкальное сообщество а термин появился только в 2004. Стандартные социальные сети позволяют пользователю присоединять людей к своей сети выходить на других пользователей через своих знакомых посылать сообщения размещать фотографии тексты и любой другой контент.
39626. Сборный связевый железобетонный каркас с диафрагмами жесткости 4.5 MB
  1 Нагрузка с перекрытия передается на ригели с ригелей на колонны с колонн на фундамента а с фундамента на основание. Нагрузки в плоскости рамы Нагрузка от собственного веса ригелей Предварительно принимаем для ригелей длиной от 2. Нагрузка при таком условии будет равна: 1.4 Схема загружения от собственного веса балок Нагрузка от пола перекрытия Свойства слоев пола: 1.
39627. Проектирование шестиэтажного здания с цокольный этажом, техническим чердаком и подвалом 1.69 MB
  Вначале определяем перечень работ подготовительного периода. Для упрощения состава подготовительных работ в номенклатуру вносим укрупненную строку «Внутриплощадочные работы». Далее выделяем следующие работы: срезку растительного слоя; вертикальную планировку поверхности; разработку грунта в отвал и транспорт с дальнейшим добором вручную.
39628. УСТАНОВКА (АТТИТЮД) 44 KB
  В российской психологии разработка общепсихологической теории установки принадлежит Д. Объектом для установки может быть все на что реагирует человек: любой символ фраза лозунг лицо учреждение идея. Можно иметь установки в отношении определенной профессии Организации Объединенных Наций политической партии книги национального меньшинства марки стирального порошка блондинок и т. Новорожденный ребенок имеет установки лишь относительно тех стимулов на которые существует врожденная реакция удовольствие или боль.
39629. Требования и порядок создания информационно-развлекательной системы «Развлекательный портал» 9.07 MB
  Порядок оформления работы Стадии: Техническое задание а Обоснование перспективности реализуемого проекта: постановка задачи; сбор базовых материалов; установка критериев системы; необходимость проведения исследовательских работ; b Исследовательская работа: выбор оптимальных методов решения поставленной задачи; определение требований к техническим средствам; обоснование практической возможности реализации данного проекта; в Разработка и утверждение технического задания: определение требований к проекту; ...