四大强度理论

四大强度理论

1、最大拉应力理论（第一强度理论）：

这一理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力，无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大拉应力σ1达到单向应力状态下的极限应力σb，材料就要发生脆性断裂。于是危险点处于复杂应力状态的构件发生脆性断裂破坏的条件是：

σ1=σb。σb/s=[σ]

所以按第一强度理论建立的强度条件为：

σ1≤[σ]。

2、最大伸长线应变理论（第二强度理论）：

这一理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素，无论什么应力状态，只要最大伸长线应变ε1达到单向应力状态下的极限值εu，材料就要发生脆性断裂破坏。

εu=σb/E；ε1=σb/E。由广义虎克定律得：

ε1=[σ1-u(σ2+σ3)]/E

所以σ1-u(σ2+σ3)=σb。

按第二强度理论建立的强度条件为：

σ1-u(σ2+σ3)≤[σ]。

3、最大切应力理论（第三强度理论）：

这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素，无论什么应力状态，只要最大切应力τmax达到单向应力状态下的极限切应力τ0，材料就要发生屈服破坏。

τmax=τ0。

依轴向拉伸斜截面上的应力公式可知τ0=σs/2（σs——横截面上的正应力）

由公式得：τmax=τ1s=（σ1-σ3）/2。

所以破坏条件改写为σ1-σ3=σs。

按第三强度理论的强度条件为：σ1-σ3≤[σ]。

4、形状改变比能理论（第四强度理论）：

这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素，无论什么应力状态，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生屈服破坏。

发生塑性破坏的条件为：

所以按第四强度理论的强度条件为：sqrt(σ1^2+σ2^2+σ3^2-σ1σ2-σ2σ3-σ3σ1)<[σ]

压力容器设计

应力强度(Stress intensity) ：某处的应力若系三向或二向应力时,其组合应力基于第三强度理论的当量强度.规定为给定点处最大剪应力的两倍,即给定点处最大主应力与最小主应力的代数值(拉应力为正值,压应力为负值)之差？？

容器的应力分类一次应力P(Primary stress)

一次应力P也称基本应力,是为平衡压力和其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力,可由与外载荷的平衡关系求得,由此一次应力必然直接随外载荷的增加而增加.

对于理想塑性材料,载荷达到极限状态时即使载荷不再增加,仍会产生不可限制的塑性流动,直至破坏.

这就是一次应力的"非自限性"特征.

二次应力Q (Secondary stress)

二次应力Q是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应力或切应力,基本特征是具有自限性.

筒体与端盖的连接部位存在"相邻部件"的约束,厚壁容器内外壁存在温差时就形成"自身约束".二次应力不是由外载荷直接产生的,不是为平衡外载荷所必需的,而是在受载时在变形协调中产生的.当约束部位发生局部的屈服和小量的塑性流动使变形得到协调,产生这种应力的原因(变形差)便得到满足与缓和.亦即应力和变形也受到结构自身的抑制而不发展,这就是自限性.

峰值应力F (Peak stress

峰值应力F是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量.峰值应力最主要的特点是高度的局部性,因而不引起任何明显的变形.其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆性断裂.

局部结构不连续是指几何形状或材料在很小区域内的不连续,只在很小范围内引起应力和应变增大,即应力集中,但对结构总体应力分布和变形没有重大影响.

压力容器设计复习

潘家祯

华东理工大学机械与动力工程学院

基本概念(下)

第四章外压容器设计

压力容器设计复习

(1) 了解外压容器失稳破坏特点,掌握弹性失稳,非弹性失稳,临界压力,圆筒计算长度,临界长度等概念及外压容器稳定性条件.

(2) 掌握典型受载条件下(侧向均布外压,侧向与轴向同时受均布外压,仅轴向受压)圆筒临界压力(或应力)计算公式及其用作设计时相应稳定性系数m的取值.

(3) 理解外压圆筒图算法原理,正确选择设计参数,并熟练运用图算法对外压圆筒和封头进行稳定性设计.

(4) 掌握外压圆筒加强圈设计计算方法,了解加强圈结构和制造要求.

4.1 基本要求

第四章外压容器设计

(1) 外压容器处于压缩应力状态,可能出现的两种失效形式是压缩屈服破坏和失稳破坏(即壳体在压应力下的突然皱折变形),失稳破坏是外压薄壁容器的主要失效形式.容器失稳时器壁中的压应力低于材料比例极限pt,则称为弹性失稳,反之为非弹性失稳,因容器用钢pt与yt相近,故可近似认为Lcr则约束件作用对筒体pcr无影响,称为长圆筒,失稳皱折波数n=2. 如L≤Lcr则约束件作用对筒体pcr有影响,称为短圆筒,失稳皱折波数n>2.

一圆筒上有多个刚性约束件(如封头,法兰,加强圈,夹套封闭件等)即为多段圆筒,其中凸形封头所在圆筒段的计算长度L应包括封头直边段及1/3的封头深度.

4.2 内容提要

第四章外压容器设计

(4) 外压容器稳定性设计目的是防止发生失稳破坏,条件是设计外压力p不得高于稳定性计算确定的许用外压[p],即满足稳定性条件p≤[p]=pcr/m;

其中,设计外压力p定义与内压时定义相同,具体取值方法可查表.

许用外压[p]由临界压力除以相应稳定性系数m确定;

稳定性系数m是考虑公式准确性和制造所能控制的容器形状偏差等因素后所取的安全系数. 稳定性设计的核心问题是计算pcr并确定相应的m,即可计算作用外压[p].

4.2 内容提要

第四章外压容器设计

(5) 圆筒临界压力pcr(或应力cr)计算( =0.3)

①受侧向均布外压的圆筒:其pcr为

可得圆筒临界长度为:

失稳皱折波数n可近似计算

4.2 内容提要

第四章外压容器设计

(4-2)

(4-3)

(4-4)

(4-5)

4.2 内容提要

第四章外压容器设计

②侧向和轴向同时受均布外压时,因轴向外压对圆筒稳定性影响不大,失稳变形及临界压力与情况①相近,故工程上仍按受侧向均布外压情况计算.

③轴向受压圆筒:因产生均匀轴向压应力的轴向外载可有多种形式,故以轴向临界应力来表征临界载荷.线弹性条件下的经验式为:

④非弹性失稳圆筒临界压力或应力可采用相应弹性失稳公式并以切线模量代替弹性模式量E作近似计算.

(4-6)

(6) 外压圆筒设计(包括侧向均布外压或侧向与轴向同时受均布外压)

①稳定性系数m:目前制造技术水平下GB150规定外压圆筒m=3,相应要求圆筒直径偏差e=Dmax-Dmin不得大于规定值.

②解析法设计:一般p,m,E,L,Di可一次性给定或计算,所以设计过程核心是根据假定的tn计算pcr(或[p]),直到满足稳定性条件p≤[p]=pcr/m 式.但解析法选用公式时要先假设长圆筒或短圆筒,弹性或非弹性失稳,并由结果对假设进行校核,所以应用不方便,尤其不便于解非弹性问题,因此工程设计一般用图算法.

4.2 内容提要

第四章外压容器设计

4.2 内容提要

第四章外压容器设计

③图算法原理:因为周向临界应力

所以将长,短圆筒Pcr统一写成

长圆筒

短圆筒

于是根据许用外压

可得

(4-7)

解析法求[p]核心是计算上式右边项,而图算法则将该项计算分成两步:

第一步先计算应变cr,因cr与E无关,且仅需D0/te,L/D0两个独立变量,故将其作图以便由