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圆形薄板在均布载荷作用下的挠度
第四节 平板应力分析
3.4 平板应力分析
3.4.1 概述
3.4.2 圆平板对称弯曲微分方程
3.4.3 圆平板中的应力
3.4.4 承受对称载荷时环板中的应力
3.4.1 概述
1、应用:平封头:常压容器、高压容器;
贮槽底板:可以是各种形状;
换热器管板:薄管板、厚管板;
板式塔塔盘:圆平板、带加强筋的圆平板;
反应器触媒床支承板等。
2、平板的几何特征及平板分类
几何特征:中面是一平面厚度小于其它方向的尺寸。
分 类:厚板与薄板、大挠度板和小挠度板。
t/b≤1/5时 (薄板)
w/t≤1/5时(小挠度)按小挠度薄板计算
3、载荷与内力
载荷:①平面载荷:作用于板中面内的载荷
②横向载荷垂直于板中面的载荷
③复合载荷
内力:①薄膜力——中面内的拉、压力和面内剪力,并产生面内变形
②弯曲内力——弯矩、扭矩和横向剪力,且产生弯扭变形
◆当变形很大时,面内载荷也会产生弯曲内力,而弯曲载荷也会产生面内力,所以,大挠度分析要比小挠度分析复杂的多。
◆本书仅讨论弹性薄板的小挠度理论。
4、弹性薄板的小挠度理论基本假设---克希霍夫Kirchhoff
① 板弯曲时其中面保持中性,即板中面内各点无伸缩和剪切变形,只有沿中面法线的挠度。只有横向力载荷
②变形前位于中面法线上的各点,变形后仍位于弹性曲面的同一法线上,且法线上各点间的距离不变。
类同于梁的平面假设:变形前原为平面的梁的横截面变形后仍保持为平面,且仍然垂直于变形后的梁轴线。
③平行于中面的各层材料互不挤压,即板内垂直于板面的正应力较小,可忽略不计。
◆研究: 弹性,薄板 / 受横向载荷 / 小挠度理论 / 近似双向弯曲问题
3.4.2 圆平板对称弯曲微分方程
分析模型
分析模型:半径R,厚度t的圆平板受轴对称载荷Pz,在r、θ、z圆柱坐标系中,内力Mr、Mθ、Qr 三个内力分量
轴对称性:几何对称,载荷对称,约束对称,在r、θ、z圆柱坐标系中,挠度只是 r 的函数,而与θ无关。
求解思路:经一系列推导(基于平衡、几何、物理方程)→弯曲挠度微分方程()
→求求→内力→求应力
微元体:用半径为r和r+dr的圆柱面和夹角为dθ的两个径向截面截取板上一微元体。
微元体内力 :
径向:Mr、Mr+(dMr/dr)dr
周向:Mθ、 Mθ
横向剪力:Qr、Qr+(dQr/dr)dr
微元体外力 :
上表面
1、平衡方程
微体内力与外力对圆柱面切线T的力矩代数和为零,即ΣMT=0
(2-54)
(圆平板在轴对称载荷下的平衡方程)
2、几何协调方程(W~ε)
取,径向截面上与中面相距为z,半径为r与两点A与B构成的微段
板变形后:
微段的径向应变为 (第2假设)
过A点的周向应变为(第1假设)
作为小挠度,带入以上两式,得
应变与挠度关系的几何方程:
(2-55)
3、物理方程
根据第3个假设,圆平板弯曲后,其上任意一点均处于两向应力状态。由广义虎克定律可得圆板物理方程为:
(2-56)
4、圆平板轴对称弯曲的小挠度微分方程
(2-55)代入(2-56)式:
(2-57)
通过圆板截面上弯矩与应力的关系,将弯矩和表示成的形式。由式(2-57)可见,和沿着厚度(即z方向)均为线性分布,图2-31中所示为径向应力的分布图。
、的线性分布力系便组成弯矩、。单位长度上的径向弯矩为:
(2-58a)
同理 (2-58b)
参照38页壳体的抗弯刚度,——“抗弯刚度”与圆板的几何尺寸及材料性能有关
(2-58)代入(2-57),得弯矩和应力的关系式为:
(2-59)
(2-58)代入平衡方程(2-54),得:
即:受轴对称横向载荷圆形薄板小挠度弯曲微分方程:
(2-60)
Qr值可依不同载荷情况用静力法求得
3.4.3 圆平板中的应力(圆平板轴对称弯曲的小挠度微分方程的应用)
承受均布载荷时圆平板中的应力:①简支②固支
承受集中载荷时圆平板中的应力
一、承受均布载荷时圆平板中的应力
据图2-32,可确定作用在半径为r的圆柱截面上的剪力,即:
代入2-60式中,得均布载荷作用下圆平板弯曲微分方程为:
对r连续两次积分得到挠曲面在半径方向的斜率:
(2-61)
对r连续三次积分,得到中面在弯曲后的挠度。
(2-62)
C1、C2、C3均为积分常数。
对于圆平板在板中心处(r=0)挠曲面之斜率与挠度均为有限值,因而要求积分常数
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