厚壁圆筒或管道中的应力计算
(1)概述
当厚壁管或圆柱体受到内部和外部压力时,会在壁中产生环箍和纵向应力。
(2)轴向方向应力
σa = (p i r i2 - p o r o2 )/(r o2 - r i2) (1)
σa=轴向应力(MPa,psi)
pi=管道或圆柱体中的内部压力(MPa,psi)
p o=管道或圆柱体中的外部压力(MPa,psi)
r i=管道或圆柱体的内径(mm,in)
r o=管子或圆柱体的外半径(mm,in)
(3)周向应力-环向应力
圆周方向上的应力——环向应力——在管或圆筒壁上的一点上可以表示为:
σc = [(p i r i2 - p o r o2) / (r o2 - r i2)] - [r i2 r o2 (p o - p i) / (r2 (r o2 r i2))] (2)其中:
σc=周向应力(MPa,psi)
r=管道或圆筒壁中点的半径(mm,in)(r i<r<r o)
r=r i时的最大应力(管道或圆柱体内部)
(4)合成应力
气缸壁中单个点的组合应力不能通过使用矢量加法的单个矢量来描述。
相反,可以使用描述两个物理向量之间的线性连接的应力张量(矩阵)。
径向应力
管壁或圆筒壁中某一点处的径向应力可以表示为:
σr= [(p i r i2 - p o r o2) / (r o2 - r i2)] + [r i2 r o2 (p o - p i) / (r2 (r o2 - r i2))] (3) r=r o时的最大应力(管道或圆柱体外部)
(5)示例-厚壁圆筒中的应力
在内径为200mm(半径为100mm)、外径为400mm(半径为200mm)的圆柱体中,相对于外部压力存在100MPa的压力。
轴向应力可计算为:
σa=(((100 MPa)(100 mm)2-(0 MPa)(200 mm)2)/((200 mm =33.3 MPa
内壁(100 mm)的周向应力(环向应力)可计算为:
σc=[((100 MPa)(100 mm)2-(0 MPa)(200 mm)2)/(200 mm
=167 MPa
内壁(100 mm)的径向应力可计算为:
σr=[((100 MPa)(100 mm)2-(0 MPa)(200 mm)2)/(200 mm
=-100MPa。