Листовые (оболочковые) конструкции

Общие сведения

Листовые конструкции представляют собой сплошные тонкостенные пространственные конструкции, несущей основой которых являются плоские или изогнутые металлические листы, образующие оболочки различной формы (преимущественно оболочки вращения – цилиндрические, конические, сферические).

Листовые конструкции широко применяются в различных отраслях, как правило, для хранения, перемещения, технологической переработки жидкостей, газов и сыпучих материалов, и составляют около 20% объема всех металлических конструкций.

В зависимости от назначения различают:

резервуары для хранения жидкостей (нефти, нефтепродуктов, спирта, кислот, сжиженных газов и др.);

газгольдеры для хранения и выравнивания состава газов;

бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов (руды, цемента, песка, угля и т.п.);

листовые конструкции доменных цехов (кожухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей);

листовые конструкции специальных технологических установок химических и нефтеперерабатывающих заводов;

трубопроводы различного диаметра для транспортировки нефтепродуктов, воды и газов в гидростанциях, нефтехимических, металлургических и других предприятиях.

По характеру работы листовые конструкции можно условно разделить на три вида:

Конструкции, в которых листовые элементы работают самостоятельно, непосредственно воспринимая нагрузку (цистерны, бункеры и т.п.);

Конструкции, в которых листовые элементы работают совместно с балками, представляя в совокупности с ними сложные пластины (поворотные платформы кранов и экскаваторов и т.п.);

Конструкции, в которых листы являются элементами составных балок; они воспринимают не только общую нагрузку, действующую на балки в целом, но и местную нагрузку (пояса составных балок, к которым крепятся дополнительные элементы и т.п.).

Оболочковые конструкции разделяют на две основные группы. К первой группе относят резервуары и другие изделия, предназначенные для хранения невзрывоопасных и неядовитых жидкостей и газов при давлении

р ≤ 0,05 МПа и температуре Т ≤ 100 0 С. Эти конструкции выполняют согласно общим правилам проектирования и требованиям эксплуатации. Ко второй группе относят котлы и сосуды, работающие под высоким давлением; эксплуатация их находится под особым наблюдением инспекции Госгортехнадзора. Эти конструкции проектируют и изготовляют согласно специальным ТУ.

Технические требования к конструированию, изготовлению, приемке и поставке стальных сварных аппаратов (подведомственных или неподведомственных Госгортехнадзору) установлены ГОСТ 24306-80.

Условия работы листовых (оболочковых) конструкций весьма разнообразны. В зависимости от назначения они могут работать при статической и динамической нагрузках, при высоких и низких температурах, в условиях воздействия агрессивных сред, почти постоянно испытывают значительные напряжения, близкие к расчетным сопротивлениям сварных швов; в зонах сопряжения элементов листовых конструкций возникают значительные местные напряжения, обусловленные наличием краевого эффекта, температурными воздействиями, а также большим количеством сварных швов. Нагрузки, действующие на листовые конструкции, обычно имеют сложный характер; они вызывают не только напряженное состояние в листах, но часто и интенсивное изнашивание.

Протяженность сварных соединений в листовых конструкциях существенно больше, чем в других типах сварных конструкций. Так, например, в сварных листовых конструкциях малой и средней толщины на 1 т стали приходится 30…50 м сварных швов против 15…25 м в обычных строительных металлических конструкциях.

Основной особенностью оболочковых конструкций является то, что все их соединения должны удовлетворять не только условиям прочности, но одновременно и условиям плотности (герметичности). Толщина листов в подобных конструкциях определяется не только из условий прочности, но и из условий их жесткости и долговечности.

Характер нагружения резервуаров (часто малоцикловый) обусловливает необходимость ограничения допустимых размеров угловых деформаций сварных стыков стенки. При проектной форме стенка представляет собой цилиндрическую оболочку, в которой действуют кольцевые напряжения растяжения σ К. Однако в процессе заводского изготовления полотнищ стенки, вальцовки отдельных листов и монтажа резервуаров в зоне вертикальных сварных швов возникают угловые деформации, причем вершина угла может быть обращена внутрь или наружу резервуара. Отклонение от проектного положения приводит к появлению в этой зоне дополнительных местных изгибающих напряжений. Расчеты показывают, что суммарные деформации в точке А (рис.5.1) могут более чем в 4 раза превышать действующие в стенке кольцевые упругие деформации. В результате этого в процессе наполнения – опорожнения резервуара в точке А будут происходить циклические упруго-пластические деформации, интенсифицирующие процессы зарождения и развития усталостных трещин. В эксплуатируемых резервуарах объемом 10…20 тысяч м 3 , построенных из рулонных заготовок и рассчитываемых на статический режим нагружения, в отдельных случаях значение е (см. рис. 5.1) достигает 40…50 мм.

Эксцентриситет приложения усилия в растянутой оболочке вызывает дополнительные напряжения изгиба σ и, которые увеличивают напряжения

Рис.5.1: Угловая деформация вертикальных швов стенки обечайки:

1- проектная форма стенки; 2- фактическая форма стенки после монтажа

от одного растяжения σ р в n раз, причем

σ И е

n = = 1 + 6 . .

σ Р δ

Отсюда следует, что если отклонение действительного сечения от окружностисоставит всего е = 0,5 δ (δ –толщина оболочки), фибровые напряжения в оболочке повысятся в четыре раза; при этом может быть превзойден предел текучести, в металле оболочки возникнут пластические деформации и форма оболочки несколько выправится.

Таким образом, отклонение от действительной формы оболочки приводит к возникновению дополнительных напряжений и появлению пластических деформаций, в той или иной мере снижающих пластичность материала. Это означает, что в сварных оболочковых конструкциях должны быть исключены сварочные деформации, нарушающие форму конструкции.

К числу особенностей изготовления оболочковых конструкций относится то, что при изготовлении для них деталей применяются такие операции, как вальцовка, штамповка, холодная гибка, которые вызывают большие пластические деформации материала, связанные со значительным использованием его деформационной способности. Поэтому к материалу листовых конструкций предъявляют повышенные требования по характеристикам пластичности по сравнению с материалом других конструкций.

Марка стали для изготовления деталей резервуаров выбирается с учетом конструкции изделия, его емкости, технологии изготовления и климатических условий эксплуатации.

Для корпусов и днищ цилиндрических резервуаров емкостью менее 700 м 3 используют сталь марки ВСт.3кп. Для изготовления корпуса, днища и кольца жесткости вертикальных цилиндрических резервуаров емкостью 700…5000 м 3 , сооружаемых в районах, где температура воздуха бывает не ниже – 20 0 С, применяют мартеновскую спокойную сталь обыкновенного качества марки ВСт.3 с гарантированной ударной вязкостью при температуре – 20 0 С. В районах с более низкими температурами (- 40 0 С и ниже) применяют спокойную сталь марки МСт.3 улучшенного раскисления с гарантированной ударной вязкостью при температуре – 40 0 С.

У резервуаров емкостью 10000 м 3 нижний пояс корпуса изготовляют из низколегированной стали (09Г2С, 14Г2 и др.) с гарантированной ударной вязкостью при температуре эксплуатации –20 0 С и ниже, верхние пояса корпусов, днище и кольцо жесткости изготовляют из мартеновской спокойной стали марки Ст.3 улучшенного раскисления или ВСт.3.

Для изготовления нижних поясов резервуаров емкостью свыше 10000 м 3 рекомендуется, независимо от климатических условий, применять низколегированные стали марок 09Г2С, 14Г2 и др.

Для нижнего пояса корпуса резервуара емкостью 30000м 3 и более рекомендуется применять термически упрочненные низколегированные стали. Применение в резервуарах термически упрочненных сталей наряду с повышением их надежности уменьшает расход металла на 20…25%.

Для изготовления покрытия вертикальных цилиндрических резервуаров, несущих конструкций покрытия (центральные стойки, колонны и др.), а также лестниц ограждения применяется сталь марок ВСт.3кп или ВСт.3пс.

К сталям, применяемым для изготовления газгольдеров, предъявляются такие же требования, как и для резервуаров. Листовая оболочка газгольдеров емкостью 700…3000 м 3 (корпус, крышка и днище толщиной от 4 мм и более) изготовляется из спокойной стали ВСт.3. При отрицательных температурах эксплуатации газгольдеры изготовляют из стали ВСт.3 с гарантированной ударной вязкостью при соответствующих отрицательных температурах.

Для газгольдеров емкостью 3000м 3 и более листовую оболочку нижнего пояса корпуса изготавливают из низколегированной стали марок 15ХСНД и 14Г2, верхнюю часть газгольдера – из спокойной стали ВСт.3.

Элементы теории расчета тонких оболочек

Тела, у которых один размер намного меньше остальных, образуют класс оболочек и пластин. Чтобы систематизировать методы расчета пластин, последние в зависимости от толщины разбивают на ряд групп.

Пластиной называется тело, толщина δ которого мала по сравнению с размерами оснований (а, b ) (рис.5.2). Плоскость, проходящая посредине толщины пластины, называется срединной плоскостью . При расчете пластин начало координатных осей помещают в одной из точек срединной плоскости.

Пластины условно подразделяются на плиты [ δ / (a, b ) > 0,2 ], жесткие пластины , очень тонкие пластины [ δ / (a, b ) < 0,01]. В обычных жестких пластинах, которые чаще всего входят в состав сварных

δ X (u)

Рис.5.2. Геометрические характеристики пластины

конструкций, при действии поперечной нагрузки можно пренебречь напряжениями растяжения и сдвига в срединной плоскости.

Пластины классифицируют и по их деформативной способности. Так, если наибольший прогиб при изгибе не превосходит δ / 5 (см.рис. 5.2), то пластина считается жесткой и напряжениями растяжения (сжатия), действующими в ее срединной плоскости, пренебрегают.

Если прогибы значительны – более δ / 5, то пластина называется гибкой . Напряжения в срединной плоскости в этом случае имеют один порядок с изгибными и ими, естественно, пренебречь нельзя. Гибкие пластины, в которых прогибы превышают 5 δ, называют мембранами .

Внешние нагрузки и объемные силы в случае, когда они учитываются, будем считать приложенными к срединной плоскости. Эти нагрузки можно всегда разложить на две составляющие, одна из которых действует в срединной плоскости, а другая – перпендикулярно к ней. Если силы действуют в срединной плоскости, то пластина испытывает плоское напряженное состояние. Силы, действующие перпендикулярно к срединной плоскости, вызывают поперечный изгиб пластины.

Основными несущими элементами листовых конструкций являются оболочки. Оболочка – это тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, расстояние между которыми, называемое толщиной, мало по сравнению с другими размерами. Следовательно, оболочка – прежде всего конструкция тонкостенная.

В теоретических исследованиях принято представлять оболочку ее срединной поверхностью, которую наделяют всеми геометрическими и физическими свойствами, присущими ее толщине.

Один из важнейших показателей, характеризующих свойства оболочки, - отношение ее толщины (δ ) к минимальному радиусу кривизны срединной поверхности R . В соответствии с этим принято различать тонкие и толстые оболочки. Тонкими, или тонкостенными , оболочками принято считать такие, у которых отношение δ к R 1: 20 и меньше. Подавляющее большинство оболочечных инженерных конструкций тонкостенное.

Законченность оболочечной формы как силовой конструкции проявляется в ее замкнутости: напряжения уравновешивают сами себя по всей поверхности. Преимущества столь удачного решения очевидны: отпадает необходимость создания опорных закреплений.

Формы оболочек разнообразны и определяются видом срединной поверхности. Оболочку, имеющую кривизну в одном направлении с постоянным радиусом кривизны, называют цилиндрической . Если радиус кривизны изменяется вдоль оси вращения по линейному закону, оболочку называют конической . Если оболочка образована изгибом листа во взаимно перпендикулярных направлениях, то говорят о сферической оболочке.

Так как толщина оболочек обычно мала по сравнению с другими их габаритными размерами, напряжения в сечениях, параллельных их поверхностям, при работе под нагрузкой ничтожно малы. Поэтому при расчете тонкостенных оболочек пренебрегают этими напряжениями и учитывают только те, которые действуют в сечениях, перпендикулярных срединной поверхности. Это дает возможность при расчете оболочковых конструкций рассматривать их напряженное состояние не как объемное (трехосное), а как плоское (двухосное). Такое допущение является справедливым в случаях, когда толщина оболочки не превосходит 1 / 20 от величины ее радиуса кривизны.

С наличием объемного напряженного состояния необходимо считаться в районах приложения сосредоточенных нагрузок, в местах изменений толщины листов, в узлах пересечения оболочек, а также в местах крепления различных вспомогательных деталей оборудования. Дополнительные напряжения, возникающие в таких участках, являются местными и величина их по мере удаления от указанных участков быстро убывает. При проектировании оболочковых конструкций толщину основных элементов обычно определяют без учета этих местных напряжений, но в районах действия местных дополнительных напряжений для обеспечения прочности устраивают местные подкрепления.

В общем случае по сторонам элемента срединной поверхности оболочки произвольной формы действуют усилия, отнесенные к единице длины: нормальные N 1 и N 2 , касательные S 1 и S 2 , поперечные Q 1 и Q 2 (рис.5.3, а); изгибающие М 1 и М 2 и крутящие Н 1 и Н 2 моменты (рис.5.3, б); задача нахождения усилий в оболочке является статически неопределимой и расчетные уравнения, составленные с учетом всех перечисленных усилий, настолько сложны, что их решение связано со значительными трудностями.

Q 2 S 1 N 1

S 2

N 2 Q 1

Q 1

S 2

N 1 S 1 N 2

M 1 H 1

H 2 M 2

M 1 H 2

Б) H 1

Рис5.3.Внутренние усилия и компоненты внешней нагрузки

в элементе оболочки

Величины N 1 , S 1 , Q 1 ; N 2 , S 2 , Q 2 представляют собой внутренние усилия в сечениях оболочки, проведенных нормально срединной поверхности. Аналогично величины М 1 , Н 1 ; М 2 , Н 2 представляют собой интенсивности изгибающих и крутящих моментов в указанных сечениях оболочки.

Расчет тонкостенных оболочек основан на безмоментной теории , построенной на допущении о равномерном распределении напряжений по толщине оболочки. Это справедливо для участков оболочки, удаленных от мест, где возможна концентрация напряжений. В безмоментной теории оболочек предполагается, что равнодействующие напряжений действуют в срединной поверхности. При этом оболочка является гибкой и не оказывает сопротивления изгибу и кручению.

Тогда обращаются в нуль моменты и поперечные силы, а касательные равны между собой:

M 1 = M 2 = H 1 = H 2 = Q 1 = Q 2 = 0; S 1 = S 2 = S .

Если оболочка вращения нагружена симметрично относительно своей оси, то во всех сечениях, которые образованы меридиональными плоскостями, проходящими через ось симметрии, и в ортогональных (перпендикулярных) сечениях

H 1 = H 2 = S 1 = S 2 = 0; Q 1 = Q 2 = 0.

Принятые допущения значительно упрощают расчет, так как позволяют не учитывать напряжения от изгиба и кручения; остается всего три неизвестных усилия: N 1 , N 2 и S . Следовательно, задача по определению усилий оказывается статически определимой.

Безмоментное напряженное состояние осуществляется, когда выполняются следующие условия:

1.Срединная поверхность оболочки является плавно изменяющейся непрерывной. Невыполнение этого условия влечет за собой существенное отличие деформаций в таких местах. Это, как следствие, приводит к напряжениям изгиба, имеющим, однако, локальный характер. Последнее обстоятельство часто позволяет пренебрегать изгибными напряжениями в оболочках по той причине, что местные пластические зоны не снижают общей несущей способности оболочки.

2.Неизменность или плавность изменения толщины стенки оболочки.

3.Внешнее воздействие на оболочку изменяется плавно и непрерывно.

4.Края оболочки должны иметь возможность свободно поворачиваться и перемещаться в направлении нормали к срединной поверхности. Помимо этого опорные устройства должны обеспечивать неизменяемость формы оболочки.

Безмоментная теория – наиболее простой частный случай общей теории оболочек. Эту теорию широко применяют для расчета различных инженерных объектов. Большое удобство безмоментной теории объясняется не только относительной простотой ее математического аппарата, но и тем, что она вполне удовлетворительно описывает работу тонких оболочек при достаточно широком классе внешних воздействий.

В каждой точке срединной поверхности усилия образуют симметричный двумерный тензор с составляющими

N 1 = δ σ 1 ; N 2 = δ σ 2 ; S 12 = S 21 = δ τ 12 ,

где δ – толщина оболочки; σ 1 , σ 2 , τ 12 = τ 21 – составляющие тензора напряжений, действующих в плоскости, касательной к срединной поверхности и отнесенных к соответствующим координатам 1, 2 на этой поверхности.

Внутреннее давление стремится оторвать одну половину от другой (рис. 5.4) с усилием

T 1 = p π r 2 .

N 1 2 r p T 1

Рис.5.4. Схема формирования кольцевых напряжений в стенке оболочки

В стенке оболочки возникнут равномерно распределенные напряжения σ 1 , которые определяют результирующее усилие

N 1 = σ 1 2π r δ .

Из условия равновесия рассматриваемой полуоболочки следует, что

T 1 = N 1

p π r 2 = σ 1 2π r δ .

Отсюда величина возникающих напряжений

σ 1 = . (5.1)

Рассмотрим равновесное состояние полуоболочки, отсеченной плоскостью, проходящей через ось симметрии. Усилие Т 2 (рис.5.5), стремящееся оторвать одну полуоболочку от другой, определяется произведением давле -

N 2

Рис.5.5.Схема формирования меридиальных напряжений в стенке

оболочки

ния р на площадь диаметрального сечения 2 r L , то есть

Т 2 = р 2r L .

Напряжения в стенке сосуда определяет уравновешивающее усилие N 2 , заменяющее действие отброшенной части,

N 2 = σ 2 2L δ .

При определении усилий T 2 и N 2 не принимались во внимание торцевые участки, ограниченные полусферами. Однако при этом строгость приводимых выкладок не нарушается, поскольку заранее размеры не были оговорены. Предполагается, что длина оболочки произвольна, и всегда с достаточной степенью точности можно выделить среднюю часть резервуара, для которой справедливы приведенные зависимости.

Условия равновесия системы, показанной на рис. 5.5, будут выполняться, если

Т 2 = N 2 ,

Следовательно,

p 2 r L = σ 2 2L δ ,

откуда действующие напряжения

σ 2 = . (5.2)

Строго говоря, на стенки оболочки действуют усилия и в направлении, перпендикулярном к поверхности, однако их величина в r / δ раз меньше, чем наибольшие σ 1 и σ 2 . Значит, напряжения σ 3 можно не учитывать при расчетах на прочность.

Из полученных формул следует, что возникающие напряжения не зависят от длины цилиндрической оболочки. В стенке цилиндрического резервуара возникают напряжения, действующие в двух взаимно перпендикулярных направлениях: в кольцевом σ 1 и в продольном σ 2 , то есть формируется плоское напряженное состояние; напряжения в сечении, нормальном к продольной оси оболочки, вдвое меньше напряжений в сечении по образующей.

Безмоментное напряженное состояние в оболочке определится, если в любой ее точке известны продольные T m , окружное Т φ и сдвигающие S усилия (рис.5.6). В безмоментной теории напряжения, действующие по кромкам выделенного элемента, распределяются по толщине δ равномерно. Таким образом,

T m = σ m δ ; T φ = σ φ δ ; S = τ δ .

Здесь σ m и σ φ – соответственно продольное и окружное нормальные, а τ – касательное напряжения.

Усилия T m , T φ и S – по смыслу погонные, они отнесены к единице длины дуги срединной поверхности.

Т φ N 1

q N q m

S q φ

Рис.5.6. Безмоментное напряженное состояние в оболочке

Будем полагать, что внешняя нагрузка непрерывно распределена по поверхности оболочки. Эту нагрузку q представим в виде трех составляющих (см. рис.5.6): q N , q m и q φ , которые действуют соответственно по нормали к поверхности, по касательной к меридиану и по касательной к параллели. Нагрузки q N , q m и q φ отнесены к единице площади срединной поверхности.

Условия равновесия элемента NMM 1­ N 1 оболочки приводят к трем дифференциальным уравнениям, отвечающим трем искомым усилиям T m , T φ и S. Совпадение числа уравнений и усилий указывает на то, что задача об определении усилий в безмоментной оболочке статически определима.

Уравнение Лапласа

T m T φ

+ = q N , (5.3)

r 1 r 2

σ 1 σ 2 p

+ = . (5.4 )

r 1 r 2 δ

Ниже приводятся формулы для определения напряжений в оболочках простейшего типа для наиболее распространенных случаев нагрузки: равномерного внутреннего давления и гидростатического давления.

Безмоментная теория расчета тонкостенных оболочек предполагает следующие допущения:

Толщина оболочки должна быть достаточно малой по сравнению с ее другими геометрическими размерами. Например, для цилиндра толщина стенки должна составлять не более 10 % внутреннего диаметра;

Вследствие малой толщины нормальные напряжения растяжения или сжатия по толщине оболочки не изменяются , величина их в R/s раз больше изгибных (R- радиус оболочки) что и определяет безмоментное состояние.

По форме сосуд обязательно должен представлять оболочку вращения;

Нагрузка (давление на стенки) должна быть симметричной относительно оси вращения.

Кроме этого, теория упрощается путем некоторой схематизации действительной работы конструкций. Эта схематизация формируется в используемыхгипотезах, аналогичных гипотезам в теории стержней, т.е.:

- гипотезам плоских сечений;

- гипотезам “не надавливания” слоев оболочки друг на друга.

Следует отметить, что чем меньше отношение толщины (S) оболочки к ее радиусу R , тем точнее выполняется предположение о постоянстве напряжений по толщине и тем более точнее выполняются расчеты по безмоментной теории.

Как было сказано ранее, в стенках оболочек при действии давления возникают напряжения:

-σ r - радиальные, действуют вдоль радиуса;

- σ t – тангенциальные, касательные к параллельному кругу;

- σ m –меридиональные, касательные к меридиану.

При этом, на внутренних волокнах в точке 2 действуют все три напряженияσ r , σ t и σ m (рисунок 1.21 а), т.е. напряженное состояние - объемное , а на наружных в точке 1 – действуют только два напряжения σ t и σ m и напряженное состояние – плоское. Распределение напряжений по толщине стенки– неравномерное (рисунок 1.21 б).

Рисунок 1.21– Элементы, вырезанные на наружной (1) и внутренней (2) поверхностях оболочки (ось х совпадает с меридианом)

Радиальные напряжения на внутренних волокнах оболочки равны давлению Р (см рисунок 1.21). Но так как давление для тонких оболочек меньше 10 МПа, то радиальные напряжения значительно меньше допускаемых. Например, для стали Ст3 , допускаемое напряжение при 20 0 С равно 154 МПа. Поэтому для тонких оболочек пренебрегают радиальным напряжением, т.е. принимают σ r = 0 (рисунок 1.22) .

В этом случае напряженное состояние материала тонких оболочек - плоское и для внутренних и наружных волокон(рисунок1.22).Также принимают, что напряжения σ t и σ m распределяются равномерно по толщине стенки, т.е. постоянны по S (рисунок 1.22).

Рисунок 1.22 - Плоское напряженное состояние материала оболочки

Рисунок 1.23 - Напряжения, действующие в стенках оболочек, распределены равномерно (показаны эпюры только тангенциальных напряжений)

Кроме этого, как было сказано ранее, пренебрегают напряжениями, возникающими от изгибающих моментов. На рисунке 1.23 это σ m от Мm . Остаются только напряжения σ t и σ m соответственно, от усилий (рисунок 1.24):

U Р –продольных;

T Р –кольцевых (тангенциальных, окружных).

При этом данные усилия и напряжения в любом поперечном сечении цилиндрической части корпуса колонны постоянны при действии равномерного газового давления.

Рисунок 1.24 - Усилия и напряжения, возникающие в стенках тонких оболочках при расчете по безмоментной теории

Для толстостенных оболочек (сосудов высокого давления - СВД) радиальные напряжения могут достигать значительных величин. Например, при внутреннем давлении, равном 300 МПа, радиальные напряжения на внутренних волокнах будут также равны 300 МПа, что значительно больше, чем допускаемое напряжение. Поэтому в этом случае нельзя пренебрегать радиальным напряжением и тогда напряженное состояние СВД – объемное.

Таким образом, основная причина, по которой разделяю сосуды на тонкостенные и толстостенные – разные напряженные состояния:

Для тонкостенных – плоское НС ( σ r =0 ; σ m 0; σ т 0)

Для СВД – объемное НС σ r 0 ; σ m 0; σ т 0

Кроме того, для СВД учитывают, что напряжения распределяются по толщине стенки неравномерно.

Резюмируя, можно сказать, что при расчете тонких оболочек по безмоментной теории при действии внутреннего давления принимают, что:

Напряжения от изгибающих моментов малы и ими пренебрегают ;

Напряженное состояние плоское, т.е. не учитывают радиальные напряжения;

Напряжения σ t и σ m по толщине стенки распределяютсяравномерно.

В этом случае, необходимо определить только меридиональные и кольцевые напряжения, причем только от усилий U и T.

На участках удаленных от узла сопряжения (см. рисунок 1.20), указанные напряжения определяются по известным формулам безмоментной теории.

Для цилиндрической оболочки данные зависимости имеют следующий вид

(1.14)

(1.15)

где - радиус срединной поверхности, мм.

Сравнение формул показывает, что

. (1.16)

Из последнего выражения следует, что в продольных швах действуют в два раза большие напряжения, чем в поперечных (рисунок 1.25) и, соответственно, по этим швам или вдоль меридиана в первую очередь может произойти разрыв оболочки и ее разрушение (рисунок 1.26).

Рисунок 1.25 – Наиболее опасные продольные швы

Задача о расчете оболочек вращения наиболее просто ре­шается в том случае, когда возможно принять, что напряжения, возникающие в оболочке, постоянны по ее толщине, и, следовательно, изгиб оболочки отсутствует, т.е. . Теория оболочек, построенная в этом предположении, называетсябезмоментной теорией.

Можно показать, что при
поперечная силаQ обращается в нуль. В этом случае в нормальных сечениях оболочки действуют только нормальные усилия N s и N t , кото­рые могут быть определены из условий равновесия элемента оболочки.

Безмоментное напряженное состояние возникает в оболочке в том случае, когда оболочка не имеет резких переходов и жест­ких защемлений и, кроме того, не нагружена сосредоточенными силами и моментами. При наличии же перечисленных особенностей в местах крепления оболочки, резких изменений формы и местах приложения сосредоточенной нагрузки возникают повышенные на­пряжения изгиба. Более детальное исследование показывает, что этот изгиб носит местный характер, на достаточном удалении от перечисленных особых областей устанавливается безмоментное напряженное состояние (рис.7), и для расчета оболочки может быть применена безмоментная теория.

Рис.7. Зоны местного изгиба и

безмоментного напряженного состояния оболочки

Для определения напряжений в зонах местного изгиба и границ этих зон следует привлекать более точные (и более сложные!) методы моментной теории оболочек.

Будем полагать, что оболочка нагружена нормальным давле­нием, равномерно распределенным по поверхности оболочки или плавно меняющимся вдоль меридиана, края оболочки свобод­ны от защемлений, так что их поворот и перемещение по норма­ли не стеснены, толщина оболочки постоянна. Выполнение этих условий обеспечивает практически безмоментное напряженное со­стояние оболочки и позволяет применение методов безмоментной теории,

Основными уравнениями безмоментной теории оболочек для определения напряжений являются:

Уравнение Лапласа

, (3)

где R 1 и R 2 – главные радиусы кривизны оболочки, h – толщина оболочки;

Уравнение равновесия зоны оболочки, ограниченной па­раллельным кругом радиуса r :

, (4)

где – угол между осью вращения и нормалью к оболочке на границе зоны, P z – осевая равнодействующая внешней нагрузки на рассматриваемую часть оболочки (рис. 6).

В уравнениях (3), (4) и в последующем изложении значком * помечены величины, относящиеся к безмоментному напряженно-деформированному состоянию.

Рассматриваемая зона отделяется от оболочки нормальным коническим сечением с углом
при вершине, как показано на рис.8. Равнодействующая внешней нагрузки определяется интегралом

. (5)

В случае постоянного давления q = const выражение (5) принимает следующий простой вид:

, (6)

т.е. равнодействующая сил постоянного давления численно рав­на произведению величины давления на площадь проекции поверх­ности рассматриваемой зоны оболочки на плоскость, перпенди­кулярную оси вращения.

Рис.8. К условию равновесия зоны оболочки

Радиальные перемещения точек оболочки определяют на формуле:

. (7)

Угол поворота нормали к оболочке определяется выражением:

. (8)

Положительные направления радиальных перемещения углов поворота показаны на рис.9.

Рис.9. Положительные направления

радиальных перемещений и углов поворота

Безмоментная теория оболочек

Безмоментная теория оболочек представляет собой упрощенный вариант общей теории, в котором пренебрегают влиянием изгибающих и крутящих моментов, а также поперечных сил на напряженно-деформированное состояние.

Для того чтобы существовало безмоментное напряженное состояние, необходимы следующие условия.

• 1. Оболочка должна иметь форму плавно изменяющейся непрерывной поверхности с постоянной или плавно меняющейся толщиной h. Резкое изменение указанных величин создает разницу в деформациях и вызывает изгиб. В местах резкого изменения геометрии оболочки (скачка) величины перемещений, определяемых по безмоментной теории, терпят разрыв.
• 2. Нагрузка на оболочку должна быть плавной и непрерывной. Безмоментная оболочка не может работать на сосредоточенную силу, перпендикулярную ее поверхности.
• 3. Закрепление краев оболочки должно быть таким, чтобы ее край мог свободно перемещаться по нормали. Углы поворота и нормальные перемещения на краях оболочки не должны быть стеснены.
• 4. Силы, приложенные к краю оболочки, должны лежать в касательной плоскости.

Наиболее выгодным для работы оболочки является безмоментное состояние. К нему и стремятся, придавая оболочке соответствующую форму и закрепляя ее надлежащим образом. Безмоментная теория – это аппарат, который в одних случаях дает строгое описание, в других – достаточно хорошее приближенное описание напряженно-деформированного состояния оболочек. В ряде случаев безмоментная теория неприменима вовсе.

Уравнения безмоментной теории получим как частный случай уравнений равновесия (7.1) общей моментной теории при условии равенства нулю моментов М и, М г, Н:

Расчет оболочек вращения по безмоментной теории

Рассмотрим оболочку вращения с произвольным меридианом (рис. 7.17), который, вращаясь вокруг оси вращения, формирует срединную поверхность оболочки вращения.

Рис. 7.17.

Примем за параметр и угол между нормалью к меридиану и осью вращения Oz , за параметр v – центральный угол вращения точки С вокруг оси Oz, отсчитываемый от оси Ох в сторону оси Оу. Принятая система криволинейных координат и, v будет координатной системой в линиях главных кривизн.

Согласно рис. 7.17 имеем: , , т.е.

Подставляем значения в уравнения равновесия безмоментной теории (7.4):

(7.5)

Далее будем рассматривать осесимметричную задачу, которая возможна при Y = 0. В этом случае в уравнениях исчезнут члены, содержащие производные по v, так как внутренние усилия будут зависеть только от параметра и. В этом случае система (7.5) упростится и примет вид

(7.6)

Из последнего уравнения находим значение нормального усилия:

подставив которое в первое уравнение системы (7.6), получаем

Интегрируя результат подстановки, находим

где постоянная интегрирования С находится из граничных условий. После вычислениянаходим по формуле (7.7).

Пример 7.1. Рассчитаем по безмоментной теории сферическую оболочку радиусом R, изображенную на рис. 7.18. Оболочка нагружена внешним давлением р.

Рис. 7.18.

Все условия существования безмомснтного напряженного состояния в этом случае выполняются, поэтому будем использовать формулы (7.7) и (7.8),в которые необходимо подставить X = О, Z = -р (см. рис. 7.17), :

Для определения константы С можно использовать следующее рассуждение: в вершине конуса, т.е. при , не может быть бесконечно большого значения нормальной силы, а чтобы выполнить это условие, необходимо положить С = 0. Таким образом, получаем . По формуле (7.7) определяем . Следовательно, любой фрагмент оболочки, границы которого совпадают с координатными линиями (меридианами и параллелями), будет сжат в обоих направлениях нормальными силами -pR/2 [Н/м]. Касательное усилие в осесимметричной задаче для оболочек вращения равно нулю (S = 0).

Расчет осесимметричных тонких оболочек вращения по моментной теории

Для осесимметричной оболочки вращения имеем

Кроме того, ранее было определено

Подставляем выписанные значения в уравнения равновесия (7.1).