1.1 Shrnutí základních poznatků

Podobné dokumenty
2.1 Shrnutí základních poznatků

Skořepinové konstrukce. tloušťka stěny h a, b, c

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

TLUSTOSTĚNNÉ ROTAČNĚ SYMETRICKÉ VÁLCOVÉ NÁDOBY. Autoři: M. Zajíček, V. Adámek

16. Matematický popis napjatosti

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Pružnost a pevnost I

4. Napjatost v bodě tělesa

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

Nauka o materiálu. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

PRUŽNOST A PLASTICITA I

Rotačně symetrická deska

PRUŽNOST A PEVNOST II

OHYB (Napjatost) M A M + qc a + b + c ) M A = 2M qc a + b + c )

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Výpočet sedání kruhového základu sila

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

1. Úvod do pružnosti a pevnosti

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Nelineární problémy a MKP

písemky (3 příklady) Výsledná známka je stanovena zkoušejícím na základě celkového počtu bodů ze semestru, ze vstupního testu a z písemky.

2.2 Mezní stav pružnosti Mezní stav deformační stability Mezní stav porušení Prvek tělesa a napětí v řezu... p03 3.

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

12. Prostý krut Definice

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Statika soustavy těles.

Zde je uveden abecední seznam důležitých pojmů interaktivního učebního textu

Nosné desky. 1. Kirchhoffova teorie ohybu tenkých desek (h/l < 1/10) 3. Mindlinova teorie pro tlusté desky (h/l < 1/5)

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

Tvorba výpočtového modelu MKP

Ztráta stability tenkých přímých prutů - vzpěr

TAH-TLAK. Autoři: F. Plánička, M. Zajíček, V. Adámek R A F=0 R A = F=1500N. (1) 0.59

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Autor: Vladimír Švehla

Prizmatické prutové prvky zatížené objemovou změnou po výšce průřezu (teplota, vlhkost, smrštění )

13. Prostý ohyb Definice

PRUŽNOST A PLASTICITA

Pružnost a plasticita CD03

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

BETONOVÉ KONSTRUKCE B03C +B03K. Betonové konstrukce - B03C +B03K

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

Dynamika vázaných soustav těles

Ohyb nastává, jestliže v řezu jakožto vnitřní účinek působí ohybový moment, tj. dvojice sil ležící v rovině kolmé k rovině řezu.

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Pružnost a plasticita II CD03

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

7. CVIČENÍ. Sedmé cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

POŽADAVKY KE ZKOUŠCE Z PP I

vztažný systém obecné napětí předchozí OBSAH další

Primární a sekundární napjatost

7 Lineární elasticita

ARST - Architektura a statika SKOŘEPINOVÉ KONSTRUKCE. ARST - Architektura a statika. ARST - Architektura a statika

7. Základní formulace lineární PP

Mechanika s Inventorem

6. Statika rovnováha vázaného tělesa

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Diskrétní řešení vzpěru prutu

PRUŽNOST A PLASTICITA

ZÁKLADNÍ ÚLOHY TEORIE PLASTICITY Teoretické příklady

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

Definujte poměrné protažení (schematicky nakreslete a uved te jednotky) Napište hlavní kroky postupu při posouzení prutu na vzpěrný tlak.

Kritéria porušení laminy

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Analýza napjatosti PLASTICITA

Optimalizace vláknového kompozitu

Vzpěr, mezní stav stability, pevnostní podmínky pro tlak, nepružný a pružný vzpěr Ing. Jaroslav Svoboda

3. Způsoby namáhání stavebních konstrukcí

Pružnost a pevnost (132PRPE), paralelka J2/1 (ZS 2015/2016) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady.

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

Geometricky válcová momentová skořepina

Nosné konstrukce AF01 ednáška

Příloha č. 1. Pevnostní výpočty

Přetvořené ose nosníku říkáme ohybová čára. Je to rovinná křivka.

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Pružnost a pevnost (132PRPE) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady. Část 1 - Test

b) Křehká pevnost 2. Podmínka max τ v Heigově diagramu a) Křehké pevnosti

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Vybrané okruhy znalostí z předmětů stavební mechanika, pružnost a pevnost důležité i pro studium předmětů KP3C a KP5A - navrhování nosných konstrukcí

Postup při výpočtu prutové konstrukce obecnou deformační metodou

10. cvičení z Matematické analýzy 2

graficky - užití Cremonova obrazce Zpracovala: Ing. Miroslava Tringelová

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Aproximace posuvů [ N ],[G] Pro každý prvek se musí nalézt vztahy

6.1 Shrnutí základních poznatků

CVIČNÝ TEST 24. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Kateřina Nováková. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. #4 Elektrické výboje v elektroenergetice

Nespojitá vlákna. Nanokompozity

K618 FD ČVUT v Praze (pracovní verze). Tento materiál má pouze pracovní charakter a bude v průběhu semestru

OTÁZKY KE STÁTNÍ ZÁVĚREČNÉ ZKOUŠCE (NAVAZUJÍCÍ STUDIUM) OBOR 3901T APLIKOVANÁ MECHANIKA. Teorie pružnosti

Cvičení 1. Napjatost v bodě tělesa Hlavní napětí Mezní podmínky ve víceosé napjatosti

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Transkript:

1.1 Shrnutí základních poznatků Pojmem nádoba obvykle označujeme součásti strojů a zařízení, které jsou svým tvarem a charakterem namáhání shodné s dutými tělesy zatíženými vnitřním, popř. i vnějším tlakem.sohledemnatopovažujemezanádobyrůznápotrubíakotlovátělesa,alenapř.i tlakové nádoby pro jadernou energetiku. V technické praxi se setkáváme s případy tlustostěnných nádob s uvážením vlivu rozměrových a tvarových změn, např. nestejnosti tloušťky stěn nebo ovality. Vzhledem ke složitějšímu matematickému popisu těchto úloh a také s přihlédnutím k potřebám technické praxe se těmito úlohami nebudeme zabývat. Zaměříme pozornost pouze na teorii tlustostěnných rotačně symetrických válcových nádob majících značný technický význam. Pomocí této teorie lze například poměrně snadno(za zjednodušujících předpokladů) provádět prvotní rozměrový návrh částí tvarově složitějších součástí strojů a zařízení. Při odvození teorie tlustostěnných rotačně symetrických válcových nádob bereme v úvahu tyto předpoklady: σ t σo σr + dσr σr dϕ σo z dz σ t dr O Obr. 1: Napjatost v elementárním hranolku. Materiál nádoby je lineárně elastický(zatěžování probíhá v oblasti platnosti Hookeova zákona), homogenní a isotropní. Poměrnédeformace,kterémohouvznikatvtělesenádoby,jsoumalé,tj. ε 1. Respektujeme Saint-Venantův princip, při kterém se lokální charakter zatížení projevuje jen v jeho blízkém okolí. Podmínky rovnováhy sil sestavujeme na nepřetvořeném tělese nádoby. Nádoba má dokonale válcový tvar, tlaky na vnitřním a vnějším povrchu jsou rovnoměrně rozložené. Vliv vlastní tíhy tělesa na stav napjatosti a deformace zanedbáváme. Na základě uvedených předpokladů je řešená úloha osově rotačně symetrická vzhledem k podélné ose nádoby. Pro vyšetřování stavu napjatosti u této nádoby je nejvýhodněší použití válcových souřadnic, jednotlivé souřadnice označme dle zvyklostí r, ϕ, z, viz obr. 1. Prvým krokem řešení je vyjmutí elementárního prvku nádoby za dodržení zásad metody řezů. Veďme 6 myšlenýchřezů:rovnoběžnéřezyvedenékolmonapodélnouosunádobyvevzdálenosti za z+dz,souoséválcovéřezyopoloměrech rar+drasoumeznéřezyobsahujícípodélnou osuválce,kteréjsouurčenésouřadnicemi ϕaϕ+dϕ,vizobr.1.na6stěntaktovzniklého r ϕ 1

elementárního hranolku připojíme účinky vnitřních sil z odstraněné části nádoby. Přitom využijeme těchto skutečností: Stěnyhranolkumajínekonečněmalouplochu,ataknapětí,naněpůsobící,lzeuvažovat jako rovnoměrně rozložená. Vzhledem k osové rotační symetrii nádoby nemůže při deformaci elementárního prvku dojít ke zkosení. Odtud plyne, že na stěnách hranolku nemohou vznikat smykové složky napětí a hraniční stěny elementu jsou zároveň hlavními rovinami. V elementárním hranolku proto vzniká trojosý stav napjatosti určený hlavními napětími σ r radiální, σ t obvodovéaσ o osové. 1 Protožesmyslynapětínejsou předem známy, uvažují se všechna a priori jako tahová(obr. 1), přičemž jejich skutečná orientace je dána znaménkem řešení konkrétní úlohy. Před uvedením základních rovnic pro řešení problému ještě proveďme následující analýzu. S ohledem na předpoklad rovnoměrného zatížení povrchu válce můžeme prohlásit, že složky napětí nejsou závislé na souřadnici z. Vzhledem k rotační symetrii lze dále konstatovat, že složky napětí nejsou funkcemi ani souřadnice ϕ. Osové napětí lze považovat dokonce zakonstantní,tedy σ o σ o (r),pokudsepředpokládá,žepříslušnýřezvedenýkolmona podélnou osu válce je dostatečně vzdálen od dna nebo víka uzavřené nádoby. Dno nebo víko vyztužuje plášť válce a způsobuje, že příčné řezy válcem nejsou po deformaci rovinné. V dostatečné vzdálenosti od dna nádoby je však vliv zanedbatelný a prakticky platí, že poměrnéprodlouženípodélnýchvlákenvřezunádobyjevšudestejné,nebo-li ε o =konst. Osové napětí potom vypočítáme jako v případě prostého tahu tlaku. Z rozdílu osových silpůsobícíchzvnitřkuazvnějškuuzavřenénádobynavíkoplatí σ o = p 1πr 1 p πr πr πr 1 = p 1r 1 p r r r 1, (1) kde p 1,resp. p,jetlakpůsobícínavnitřním,resp.vnějším,povrchuválcovéčástinádoby napoloměru r 1,resp. r.vpřípadě,ževnější,resp.vnitřní,tlakjenulový,snadnoodvodíme ze vztahu(1) σ o = p 1r1, resp. σ r r1 o = p r. () r r1 Zevztahu(1)jerovněžpatrno,žeuotevřenénádoby,tj.unádobybezden,je σ o =0. (3) Obězbývajícíhlavnínapětí,radiální σ r aobvodové σ t,jsouvtloušťcestěnyrozložena nerovnoměrněamůžemetakpsát: σ r = σ r (r), σ t = σ t (r). Základní rovnice a jejich obecné řešení Abychom dokázali určit úlpný stav napjatosti v rotačně symetrické tlustostěnné válcové nádobě, sestavíme pro elementární hranolek(obr. 1): 1 Napětí σ t a σ o setakéčastoznačídlepříslušnýchsouřadnic,tj. σ ϕ a σ z.

jednu podmínku rovnováhy v radiálním směru σ r σ t + r dσ r dr =0, (4) dvě geometricko-deformační rovnice vyjadřující závislost mezi poměrnými deformacemi(prodlouženími) v radiálním a obvodovém směru a posuvem u = u(r) v radiálnímsměru ε r = du (r+ u)dϕ rdϕ a ε t = = u dr rdϕ r, (5) jednu rovnici spojitosti deformací, tzv. rovnici kompatibility, ve tvaru dε t dr =1 r (ε r ε t ), (6) užitím obecného Hookeova zákona dvě fyzikální rovnice pro poměrné deformace v radiálním a obvodovém směru ε r = 1 E [σ r ν(σ t + σ o )] a ε t = 1 E [σ t ν(σ r + σ o )], (7) kde EjeYoungůvmodulpružnostiaνjePoissonovočíslo. Základnísoustavušestirovnic(4)až(7)jemožnévzásaděřešitdvěmazpůsoby.Při hledání neznámých funkcí použijeme buď deformační variantu řešení, kde jsou neznámými posuvy, nebo silovou variantu řešení, kde jsou neznámými napětí. Ať již použijeme jednu čidruhouvariantu,lzeukázat,žesoustavěrovnic(4)až(7)vyhovujídvěobecnářešení 3 σ r = D 1 ± D r a σ t = D 1 D r (8) určujícírozloženíhlavníchnapětí σ r a σ t vestěněnádoby,kde D 1 a D jsouintegrační konstanty.z(8)jezřejmé,žekřivkyzobrazujícíprůběhynapětí σ r a σ t jsouhyperboly. stupně, což určují druhé členy na pravé straně těchto rovnic, zatímco první člen, v obou případech stejný, určuje posunutí křivek ve směru souřadnicové osy, na níž jsou napětí vynášena, viz obr.. Úloha s okrajovými podmínkami Pomocíobecnéhořešení(8)apříslušnýchokrajovýchpodmínek 4 stanovímekonkrétnítvar integračníchkonstant D 1 a D.Potéjižmůžemevyšetřitskutečnýprůběhnapětí σ r a σ t ve stěně válcové nádoby. Z hlediska technické praxe budeme uvažovat pouze případy, kdy je Funkce ujeproměnnépouze r,cožplyneobdobnějakousložeknapětízuvedenýchpředpokladů. 3 Obecněplatí: σ r + σ t =D 1.Dálebudemepracovatsřešením: σ r = D 1 D r a σ t = D 1 + D r. 4 Jednáseostatickéokrajovépodmínky,protoženahranici(povrchu)válcepředepisujemestatické podmíky rovnováhy. 3

D r p r p +D r σ r σ t p 1 r 1 r p 1 D r 1 D 1 +D r 1 O σ r, σ t Obr.:Rozloženínapětí σ r a σ t potloušťcestěnynádoby(p 1 r 1 > p r ). nádoba namáhána pouze přetlaky na vnitřním a vnějším povrchu nebo je tam nezatížena. Obecněuvažujmepůsobícítlak p 1 navnitřnímpoloměru r 1 atlak p navnějšímpoloměru r,jakjevidětnaobr..potomjsouokrajovépodmínkydányvztahy σ r (r 1 )= p 1 a σ r (r )= p, (9) kdeskutečnost,žejdeotlaky,jevyjádřenazápornýmiznaménkyasymboly p 1 a p značí pouze velikost těchto tlaků. S využitím(8) upravíme okrajové podmínky(9) na tvar D 1 D r 1 = p 1 a D 1 D r = p. (10) Obdrželijsmetaksoustavudvoulineárníchalgebraickýchrovnicproneznámé D 1 a D. Řešením soustavy dostáváme pro hledané konstanty vztahy D 1 = p 1r 1 p r r r 1 a D = (p 1 p )r 1r r r 1. (11) Vpřípadě,ževnější,resp.vnitřní,tlakjenulový,získámezevztahů(9)a(10),nebopřímo využitím vztahů(11), konstanty D 1 = p 1r 1 r r 1 a D = p 1r 1r, resp. D r r1 1 = p r r r1 a D = p r 1r r r 1. (1) Připorovnánívztahů(11)a(1)sevztahy(1)a()jepotomzřejmé,žeuuzavřených nádob(se dnem) můžeme přímo psát σ o = D 1. (13) Jestliže provádíme analýzu stavu napjatosti nádoby, obvykle nás také zajímá deformace, především změna poloměru r(r). Jednoduchou úvahou dospějeme k závěru, že r u. Prozměnupoloměrutedyplatí,spřihlédnutímk(5)a(7), r=r ε t = r E [σ t ν(σ r + σ o )]. (14) 4

V závěru shrnutí je ještě účelné rozlišit pojmy tenkostěnná a tlustostěnná nádoba. Za tenkostěnné považuje takové nádoby, jejichž tlouštka stěny je oproti ostatním charakteristickým rozměrům velmi malá, takže lze uvažovat, že rozložení napětí po tloušťce stěny je rovnoměrné. U uzavřených tlustostěnných nádob navíc vzniká v elementárním hranolku, vyjmutém ze stěny nádoby, trojosý stav napjatosti, na rozdíl od tenkostěnných nádob, kde je dvojosý stav napjatosti. Určení hranice, kdy můžeme nádobu považovat již za tenkostěnnou, závisí na zvolené přípustné chybě ve velikosti napětí, která vznikne při zanedbání tlustostěnnosti. U válcových nádob je v technické praxi běžná hranice: střední poloměr/tloušťka stěny 5. Výpočet potom provádíme dle skořepinové teorie. 5