局部應(yīng)力計算方法的對比研究(下)[1]_圖文

1、 維普資訊 年 月 秦叔 經(jīng) ， 局部 應(yīng)力計算方 法的對比研 究（ 等 下） （ ）按 力學(xué) 原 理 ， 當在 接 管 與 殼 體 處 作 用 有 橫 向力時 ， 該橫 向力 在 移 到該 處 的過 程 中總 是 會 產(chǎn) 生 矢 量方 向與 該橫 向力 作用 方 向垂 直 的彎 矩 。該橫 向 力 產(chǎn)生 的是 剪應(yīng) 力 ， 該 剪 應(yīng) 力 的大 小 沿 接 管 圓周 而 方 向是 變化 的 ， 在與 橫 向力 作 用 方 向垂 直 的兩 點 有 薄殼 有 力矩 理論 計 算 得 到 的最 大 應(yīng) 力 ， 按 安 定 性 再 條件 加 以 限制 。 因此 ， 以認 為該 方 法 已考 慮 了接

2、 可 管連 接處 的邊緣 應(yīng)力 的影 響 。從 表 列 出 的計算 結(jié) 果也 可 看 出 中 的方 法得 到 的計 算 結(jié) 果 將 比有 限元方 法 的結(jié) 果 有 更 大 的安 全 裕 度 ， 在工 程 中 最 大值 。而 該橫 向力 產(chǎn)生 的彎矩 在殼 體 上所 產(chǎn)生 的 應(yīng)力 沿接 管 圓周 方 向 也 是 變化 的 ， 最 大 值 恰 與 橫 其 向力 產(chǎn)生 的 最 大 應(yīng) 力 點 相 差 。 在 計 算 最 大 當 量 ， 應(yīng)力 時 ， 只能 取其 一 與 其 他 載 荷 產(chǎn) 生 的 應(yīng) 力 進行 疊 加 。如考 慮橫 向力 的數(shù)值 約 比其 引起 的 彎矩值 小 兩 個數(shù) 量級 ，

3、由此兩 不 同載 荷 產(chǎn) 生 的 應(yīng) 力 值 一 般 總 是 后一 載荷 產(chǎn)生 的應(yīng) 力 值大 ， 在工 程應(yīng) 用 時 ， 以忽 故 可 略橫 向力 的影 響 。但橫 向力 主 要將 對 薄膜 應(yīng)力 部 分 產(chǎn)生影 響 ， 于球殼 與 接管 連接 的結(jié) 構(gòu) ， 對 由于在 強度 條件 中 ， 膜應(yīng) 力 起 決 定 作 用 ， 薄 因此 ， 當需 要 較 精 確 地評定 球殼 與接 管 連 接 結(jié) 構(gòu) 的強 度 時 ， 考 慮 橫 向 應(yīng) 力 的影響 ， 特別 當選 擇 體單元 進 行有 限 元分 析 時 ， 橫 可 以使 用該 方法 來取 代 有 限元方 法 。 （ ）對 于接 管 壁 厚 較

4、 薄 的情 況 ， 論 是 圓筒 體 無 與接 管 的連接 結(jié) 構(gòu) ， 還是 球殼 與 接管 的連 接 結(jié)構(gòu) ， 在 外 加 機械 載荷 的作用 下 ， 方 法 和有 限元 分 析 方 法 的計算 結(jié) 果都 給 出最 大應(yīng) 力 點 的位 置 是在 接 管上 ， 即在這 種情 況 下 ， 結(jié)構(gòu) 破壞 的可能 位置 是靠 近 連 接 處 的接 管 上 。但 方 法 的 力 學(xué) 模 型 是 無 開 孔 的殼體 連 接一 實 心件 ， 因此 ， 該方 法 的結(jié)果 無 法顯 示結(jié)構(gòu) 破壞 的危險位 置 以及 最大 應(yīng)力 ， 即針對 薄 壁 管結(jié) 構(gòu) ， 方 法 的結(jié) 果 是 不 可 靠 的。另 外 方法

5、 也不能 反 映接 管壁 厚 變化 對 殼體 應(yīng)力 大 小的影 響 。但 實 際 上 ， 隨著 接 管壁 厚 的增 加 ， 管 接 向力 除 了對薄 膜應(yīng) 力 可 能 有 較 大 影 響 外 ， 表 面 彎 對 曲應(yīng)力 也會 產(chǎn) 生一 定 的影 響 。 對殼 體 的支 撐作用 增加 ， 之連接處 的殼 體上 的薄 膜 與 應(yīng)力 就會 隨之下 降 ， 而表面 彎 曲應(yīng)力 可能升 高 。 當接 管 壁 厚 與 殼 體 壁 厚 相 當或 大 于 殼 體 壁 厚 時 ， 了在 圓筒 體 與接 管 的 連 接結(jié) 構(gòu) 上 單 獨 作 用 沿 除 接管 軸 向力 這一 種情 況 ， 方 法 的 結(jié)果 與 有

6、 限元 分析 方 法 的結(jié) 果都 較 為接 近 ， 且一 般 都 是 方 法 的結(jié) 果 比有 限 元 分 析 方 法 的結(jié) 果 更 為 保 接 管 上 作用 有 扭 矩 時 ， 只要 其 數(shù) 值 與其 他 兩 個 方 向的彎矩 數(shù)值 相 當 ， 其 在 殼 體 中僅 產(chǎn) 生 相 對 很 則 小 的剪 應(yīng)力 ， 當計 算 當量 應(yīng)力 時 ， 以忽 略其 對殼 體 可 強 度 的影 響 。 （ ）在 壓力 與 其他 外加 機械 載荷 同時作 用 的情 況下 ， 目前 工 程 設(shè) 計 中 采 用 的 方 法 或 方 法 ， 當外加 機 械 載 荷 為 沿接 管 軸 線 方 向 的軸 向力 或平 面外

7、 彎 矩 時 ， 兩 方 法 的 結(jié) 果 與 壓 力 該 產(chǎn) 生 的一 般部 位 的薄 膜應(yīng)力 相 疊加 可 確保 安全 。當 外加 機械 載荷 為平 面 內(nèi)彎矩 時 ， 方 法 只計 入 殼體 該 上 一般部 位 薄膜應(yīng) 力 的做 法會 在一 定 程度 上低 估 接 守， 因此 ， 工程 設(shè)計 上 是 可 以接 受 的 。 在 （ ）對 于 圓筒 體 與接 管 的 連 接 結(jié) 構(gòu) ， 方 法 算得 的表面 應(yīng)力 值 絕大 部分 情況 下都 大 于有 限 元 分 析 的結(jié)果 ， 別是 在 薄壁 管 的情 況下 ， 方法算 特 該 得 的接管 上 的彎 曲應(yīng) 力 可能 數(shù)倍 于有 限元 方 法

8、的結(jié) 果， 因而使 設(shè) 計太 過 于保 守 。然 而 ， 當缺 乏有 限元 分 析 的條件 時 ， 在工 程設(shè) 計 上采 用 方法 可 以 得 到一 個 安全 的結(jié) 果 。 管 與殼體 連 接處 的最 大應(yīng) 力 。 當單 由壓力 在連 接 結(jié) 構(gòu)處 產(chǎn)生 的應(yīng) 力值 不 高 時 ， 在 接 管 開孔 處 經(jīng) 過 了 如 補強 計算 并采 用 了較 保 守 的補 強 結(jié) 構(gòu) 的時 候 ， 種 這 做法 對結(jié) 構(gòu) 的強度 校核 不會 帶來 太 大 的影 響 。但如 果在 連接 結(jié)構(gòu)處 ， 由壓力 產(chǎn) 生 的應(yīng) 力 值 與 單 由外 單 （ ）與 方 法 相 似 ， 方 法 僅 可 用來 校核 殼

9、體 的強 度 。雖然 該方 法 給 出 了接 管 的 應(yīng)力 計 算 ， 但僅 限于 接 管 一 般 部位 在 彎矩 和軸 向力 作 用下 的應(yīng) 力 ， 不是 接管 與殼 體 連接 處 的應(yīng)力 ， 而 故 該 方法 得 到 的接管 應(yīng)力 值 比有 限元 分析 得 到 的接管 加平 面 內(nèi)彎矩 產(chǎn)生 的應(yīng) 力 值 相 當 的話 ， 不 計 邊 緣 則 應(yīng)力 的做 法可 能低 估 該 連 接 結(jié) 構(gòu) 的實 際 應(yīng) 力 水 平 。 這種情 況 下 ， 議 采 用 建 方 法 或 方法計 算 除壓力 載 荷 以外 的機 械 載 荷 產(chǎn) 生 的 應(yīng) 力 ， 再 采用 文獻 中方 法 計 算 壓 力產(chǎn) 生

10、的 應(yīng) 力 ， 將 并 該 部分 應(yīng)力 乘 以 即 后 與 前 （ ） 面算得 的應(yīng) 力進 行疊 加 。 中的方法 在 考慮 壓 力 載荷 時 ， 通 過 是 最大應(yīng)力值要低得多 ， 在工程上不 能將其作為強度 判定 依據(jù) 。在校 核 殼 體 強 度 方 面 ， 第 兩 節(jié) 的 在 、 全部 算例 都 證 明該方 法 的計 算結(jié) 果 往往 要 比有 限元 分析 的結(jié) 果 保守 得 多 。 由于 中 ， 于應(yīng) 用 對 該 方 法 給 出 的 幾 何 結(jié) 構(gòu) 條 件 比 方 法 和 方 法 要 寬 得 多 ， 此 ， 因 當結(jié) 構(gòu) 的幾 何 尺 寸 超 出 了 方 法 和 方 法 的范 圍 時 ，

11、 開孔 補強計 算 的壓 力 面 積 法 確 定 極 限壓 力 ， 后 組 然 合 和限制 載荷 比。在 計 算 表 面 應(yīng)力 ， 方 法 也 是 按 該 又沒 有條 件采 用有 限元分 析 的情 況下 ， 以應(yīng) 用 可 維普資訊 化 工 設(shè) 備 與 管 道 第 卷第 期 中提 供 的方 法 ， 以得 到 一 個 對 殼 體 來 講 可 能 構(gòu) 的安 全要求 的。 為相 當保守 的結(jié) 果 。然 而 ， 管部 分 的強 度 還需 要 接 用其他 方 法或工 程經(jīng) 驗來 給 以保證 。 就 目前局 部 應(yīng) 力計 算 方 法 的研 究 結(jié) 果 ， 當采用 應(yīng)力 分 類 的強度 條 件 時 ， 如何

12、區(qū)分 彎 曲應(yīng) 力 中的一 次應(yīng) 力 和二 次應(yīng)力 的問題仍 無法 得 到解決 ?？?以想 到 的方 法是通 過 修改 目前普 遍采 用 的應(yīng)力 分類 的強 度條 件 來得 到一 個 工程 解 決 方 案 ， 對 于 接 管 上受 但 到外 加 機械 載荷 時 ， 體 強度 極 限 的確 定 條 件 尚缺 殼 乏 大量 實驗 數(shù)據(jù) 的支 持 ， 因此 ， 如何 修改普 遍 采用 的 應(yīng) 力分 類 的強度 條件仍 是 一個 棘手 的 問題 。在工程 近些 年來 ， 于接 管上 作用 外加 機械 載荷 時 ， 對 殼 體上局 部應(yīng) 力 的計算 方法 已 出現(xiàn) 了一些新 的研 究成 果 ， 文獻 如

13、 和 中給 出的針 對簡 體 與接 管 連接 結(jié)構(gòu) 的計算 方法 ， 方 法 將 可 以得 到與 有 限 元方 法 該 同樣精 確 的結(jié)果 。如 該方 法能 進一 步工程 化 ， 那 么， 利用當前已有 的計算機軟 、 硬件技術(shù)， 將該方法 應(yīng)用 于工程 設(shè)計 應(yīng)該 不存 在大 的障 礙 。而在新 方法 可為工 程設(shè) 計使 用 之 前 ， 設(shè)計 人員 在 解 決 實 際工 程 問題 時 ， 本文提 及 的 種 方法 ， 根據(jù) 以上推 薦 的 對 可 應(yīng)用 中 ， 當無 合適 的使 用經(jīng) 驗 的條件 下 ， 可參 考文獻 提供 的方 法來 確定 強度條 件 。 參 考 文 獻 ， ， ， ， ，

14、 （ ） 原則作 出合 理 的選擇 。 對于 殼體 與接 管連接 結(jié)構(gòu) ， 目前 ， 工程 上普遍 在 接受 的仍 是按 應(yīng) 力 分 類 的強 度 條 件 。在 采 用 、 和 有 限元 方法 進 行 局部 應(yīng) 力 計算 時 ， 在計算 得 到 的彎 曲應(yīng) 力 中實 際可能 存在 著與 外加機 械載 荷平衡 的一 次應(yīng) 力 和為滿 足變 形協(xié) 調(diào)而 產(chǎn)生 的 二次 應(yīng)力 ， 但這 種方 法 都 無 法 將 彎 曲應(yīng) 力 中的 一 次應(yīng) 力和 二次 應(yīng)力 成分 區(qū)分 開 來 。如 前 所 述 ， 文 本 在第 部分 為 了結(jié)果對 比的方便 ， 采用 了按 局 都 ， ：“ ” ， 部 薄膜 應(yīng)

15、力不 大于 倍 的許 用應(yīng) 力 和薄膜應(yīng) 力 彎 曲應(yīng)力 不大 于 倍 的許 用應(yīng) 力對 結(jié)構(gòu) 強度進 行 校 核 。在這 種校 核條 件 中 ， 由于 缺 少 了一 次 薄 膜 應(yīng) 力 加一 次彎 曲應(yīng) 力不 大 于 倍 許 用 應(yīng) 力 的 條 件 ， 因 此， 強度 校核結(jié) 果有 可 能是偏 不安 全 的 。由于在 薛明德 ， 杜青海 ， 黃克智 內(nèi)壓作用 下 圓柱殼開 孔接管 的分析 設(shè)計方法 壓力容器 ， ， ） （ ： ， 鋼制壓力容器分析設(shè)計標準 ， ， ， ， ， 中 ， 對局 部 結(jié) 構(gòu) 一 次 加 載 的失 效 條 件 采 用 了 極 限載荷 的概 念 ， 然 這兩 種 強

16、度 條 件相 對 應(yīng) 的應(yīng) 雖 ， ， ， ， ， ， 力分 析方 法都 是線 彈性 的分 析方 法 ， 在 極 限載 荷 但 的條 件 中 自然 包含 了一 次彎 曲應(yīng)力 的效 應(yīng) ， 因此 ， 該 方法 的結(jié) 果就 顯得 比本 文 中的其他 種 方法 來得 保 守， 可是 實 際上 ， 方法 的結(jié) 果可 能會 是符合 實 際結(jié) 該 秦叔經(jīng) 位移應(yīng)力 及其強度 條件 化工設(shè) 備與 管道 ， ）： （ 年 輕工機械 訂啟 事 征 國 內(nèi)總 發(fā) 行 ： 江 省 報 刊 發(fā) 行 局 （ 浙 郵發(fā) 代 號 ） 國外 總 發(fā) 行 ： 國 國 際 圖 書 貿(mào) 易 總 公 司 （ 行 代 號 中 發(fā) ） 雙月刊 ， 大 開 ， 冊 定 價 元 ， 年 元 。 每 全 郵局訂閱 （ 代號 ） 也可直接 向本編輯部