Расчет на прочность плоских крышек и днищ
Плоские крышки и днища (пластины) широко применяются в
конструкциях машин и аппаратов, благодаря простоте и относительно
низкой стоимости их изготовления.
Под действием внутреннего давления р, нормального к срединной
поверхности, пластина изгибается и приобретает кривизну
одновременно в двух плоскостях, образуя слабо изогнутую
поверхность двоякой кривизны (оболочку). Если прогиб пластины
значительно меньше ее толщины (как это и бывает в технологических
аппаратах), то напряжения, возникающие в материале, будут
обусловлены, главным образом, изгибающими моментами.
Отличны от нуля изгибающие моменты Мt и Мr в тангенциальном
и радиальном направлениях. В этих же направлениях действуют
нормальные напряжения ?t и ?r . Связь между напряжениями и
изгибающими моментами в пластинах имеет ту же физическую
природу, что и в стержнях, подверженных изгибу.
Зависимость изгибающих моментов Мt и Мr от радиальной
координаты в жестко защемленной круглой пластине приведена на
158
рис. 47 в виде соответствующих эпюр. Здесь ? – коэффициент
Пуассона, который для сталей равен 0.25 ? 0.3.
Несложный анализ показывает, что опасным сечением в данном
случае является кольцевое сечение в заделке оболочки, поскольку в
этом сечении действует максимальный по величине изгибающий
момент Мr , равный pD2 / 32. Размерность этой величины может быть
записана следующим образом: Н м2/м2 = Н м / м. Отсюда видно, что
момент Мr отнесен к единице длины кругового контура. Изгибающий
момент вызывает напряжения в материале, которые определяются
формулой Навье . Их максимальное значение достигается на
поверхности пластины, и оно равно: .
Здесь ymax = s/2 – максимальное расстояние до срединной
поверхности; I = s3/12 – момент инерции, также отнесенный к
единице длины кругового контура вдоль заделки оболочки.
Подставив значения максимального момента, момента инерции I и
расстояния ymax в предыдущую формулу, для максимального
напряжения, действующего в опасном сечении, получаем:
Для составления условий прочности отметим, что пластина при
действии внутреннего давления испытывает двухосное напряженное
состояние. Первым главным напряжением в опасном сечении
является напряжение ?r , вторым главным напряжением - ?t , а третье
?m пренебрежимо мало по сравнению с первыми двумя. Первая (для
хрупких материалов) и третья (для пластичных материалов) гипотезы
прочности приводят, как и в отношении оболочек другого типа, к одной
и той же форме условия прочности:
из которого для расчетного значения толщины оболочки вытекает
следующее соотношение:
Интересно сравнить расчетную толщину оболочек различного типа,
необходимую для обеспечения условия прочности, при одних и тех же
условиях (внутреннем давлении, диаметре, механических свойствах
материала). Пусть, например, диаметр оболочки равен 2 м,
допускаемое напряжение 140 МПа, коэффициент прочности сварного
шва 0.9 и внутреннее давление 50 атм. Тогда для сферической
оболочки, используя формулу и заменяя в ней ? на допускаемое
напряжение, получим для s значение 0.79 см. Для эллиптической и
цилиндрической оболочек по формулам (7.16) и (7.12) получим
значение расчетной толщины стенки в два раза больше: 1
Формула для конической оболочки даст величину
Наконец, при тех же условиях для плоской оболочки с помощью
соотношения (7.19) придем к значению 17.4 см.
Таким образом, использование плоских оболочек при изготовлении
технологических аппаратов, работающих при избыточном давлении,
связано с вынужденным применением стальных листов большой
толщины. В этом состоит недостаток плоских оболочек.
|