Расчет балок на жесткость Сварная балка Сложное сопративление Совместное действие изгиба и кручения Сопромат Лабораторный практикум Опытная проверка теории косого изгиба

Задачи по сопротивлению материалов

Расчет толстостенных труб

В толстостенных трубах, нагруженных равномерным давлением, напряжения и деформации не изменяются вдоль оси трубы. При этом распределение напряжений и деформаций происходит одинаково во всех плоскостях, перпендикулярных к этой оси. По граням малого криволинейного элемента, выделенного в поперечном сечении трубы (рис. 5.5.1), действуют нормальные напряжения – радиальные σr и окружные σθ. Каждая точка трубы при ее деформации получает радиальное перемещение u. Величины напряжений σr и σθ, а также перемещения u зависят от расстояния r от рассматриваемой точки трубы до ее оси.

Если сплошная (не составная) труба с внутренним радиусом а и наружным радиусом b не имеет днищ и нагружена равномерным внутренним ра и наружным рb давлением, то величины σr, σθ и u определяются по формулам Ламе

   (5.5.1)

Обозначения и размеры сторон основных форматов

 Поскольку в точках толстостенных труб реализуется сложное (плоское) напряженное состояние, оценка прочности их производится на основе тех или иных критериев (теорий) прочности.

 Формулы Ламе используются, в частности, при расчете составных труб (рис. 5.5.2). В соответствии с решением А.В. Гадолина основные геометрические и силовые параметры таких труб определяются по формулам:

  радиальный натяг: , (5.5.2)

 внешний радиус внутренней трубы: , (5.5.3)

 давление от натяга:   (5.5.4)

 Условие прочности в наиболее напряженных точках составной трубы в соответствии с критерием наибольших касательных напряжений (III теория прочности) имеет вид

  (5.5.5)

 Задача 5.5.1. Для стальной составной трубы (рис. 5.5.2) заданы: внутренний радиус внутренней трубы а = 7см, внутреннее давление р = 100 МПа, расчетное сопротивление стали Ry = 240 МПа, коэффициент Пуассона ν = 0,3; модуль продольной упругости Е = 2·105 МПа. Требуется:

  1) определить внешний радиус внутренней трубы b, внешний радиус наружной трубы с, радиальный натяг δ;

 2) проверить прочность сплошной трубы с внутренним радиусом а и внешним радиусом с, нагруженной внутренним давлением р, используя III теорию прочности;

 3) проверить прочность в опасных точках составной  трубы, нагруженной внутренним давлением р, используя III теорию прочности;

  4) определить радиальные перемещения точек внутреннего канала.

Решение. 1) Определение геометрических параметров b, c и δ.

Внешний радиус с наружной трубы определяется на основе условия прочности (5.5.5):

Внешний радиус b внутренней трубы определяется по формуле (5.5.3):

Радиальный натяг рассчитываем по формуле (5.5.2):

  2) Проверка прочности сплошной трубы с внутренним радиусом а и внешним радиусом с, нагруженной давлением р.

 Из теории расчета толстостенных труб известно, что и при нагружении внутренним давлением, и при нагружении внешним давлением опасными являются точки на внутреннем канале трубы.

Рассчитываем напряжения в точках 1 (рис. 5.5.2), используя формулы (5.5.1) и полагая в них b = c, pa = p, pb = 0, r = a:

По аналогии определяем в точках 2 и 3:

и в точке 4: 

  Эпюра распределения напряжений по толщине сплошной трубы с внутренним радиусом a и внешним радиусом c показана на рис. 5.5.3.

Условие прочности по III теории прочности имеет вид

В нашем случае в точке 1 трубы будет 

σmax = σθ = 203 МПа;  σmin = σr = –100 МПа.

Таким образом, получаем

  >Ry = 240 МПа.

 Условие прочности для сплошной трубы не выполняется.

 3) Проверка прочности в опасных точках составной трубы, нагруженной внутренним давлением р.

Вначале рассчитываем давление от натяга рк на поверхности контакта наружной и внутренней трубы, используя формулу (5.5.4)

Рассчитываем напряжения σr и σθ в точке 1 от действия натяга рк, используя формулы (5.5.1) и полагая в них pa = 0, pb = pk , r = a:

Рассчитаем суммарные напряжения σr и σθ в точке 1 от действия р и pk:

 

Проверяем прочность составной трубы в точке 1 по III теории прочности : 

Условие прочности для составной трубы выполняется.

 4) Определение радиальных перемещений точек 1 составной трубы.

Воспользуемся законом Гука для двухосного напряженного состояния

Задача 5.5.2. Для стальной составной трубы заданы: внутренний радиус внутренней трубы а = 5 см, внутреннее давление р = 200МПа, расчетное сопротивление стали Ry = 300 МПа, модуль упругости материала стальной трубы Е = 2·105 МПа. Требуется определить внешний радиус внутренней трубы b, внешний радиус наружной трубы с, радиальный натяг δ (рис. 5.5.2).

Ответ: b = 8,66 см; с = 15 см; δ = 0,0086 см.


Расчеты на прочность и жесткость валов