Константин Ефанов - Теория расчета оболочек нефтяных аппаратов

Здесь важным является отметить, что на плоской элемент действуют и усилия и моменты. И в результате расчетный аппарат теории тонких оболочек позволяет рассчитывать и усилия и моменты, то есть имеет моментную теорию.

В теории толстых оболочек по задаче Ламе твердое тело кольцевого сегмента сразу заменяется твердым телом кубического элемента, который рассматривается в теории упругости в разделе о главных напряжениях. Тензор напряжений, конечно, является математическим термином. Здесь имеется в виду кубический элемент сплошной среды, по граням которого действуют главные напряжения.

Обращаю внимание, в связи с последующим изложением, для кубического элемента имеется направление расположения, при котором по его граням будут действовать только главные напряжения. Направление главных напряжений и ориентация этого кубического элемента как правило отличается от направления напряжений от нагрузки и соответствующего им кубического элемента.

Как уже отмечалось выше, теория толстых оболочек не имеет моментного решения. Объяснить это можно отсутствием моментов в расчетной модели.

__

Сравнительная таблица построения теорий тонких и толстых оболочек:

Напряжения на сторонах выделенного сегмента раскладываются на составляющие:

Затем вместо кольцевого сегмента вводится расчетная модель плоского элемента сегмента срединной поверхности:

На ребра плоского сегмента действуют 3 усилия и 2 момента: F M, F K, F R– усилия меридиональное, кольцевое, радиальное; M M, M K– меридиональный и кольцевой моменты.

В некоторых книгах по расчету нефтяных и химических аппаратов указывается, что касательные напряжения присутствуют по кольцевым сечениям, но отсутствуют по меридиональным сечениям так как по условиям деформации их быть не может. Это ошибка. В этих работах выделяют кольцевой сегмент и к четырем его сторонам прикладывают 3 усилия и 2 момента.

В теории тонких оболочек, 5 нагрузок действуют не на весь сегмент (не на 4 стороны), а только на одну его сторону (на контур) [3].

По трем уравнениям безмоментной теории можно найти все напряжения в оболочке. Но в литературе по расчету аппаратов указывают о выводе расчетных формул только на основании уравнения Лапласа – одного из трех уравнений безмоментной теории. Система уравнений безмоментной теории статически определима и позволяет путем подстановки геометрии получить все выражения. А уравнение Лапласа содержит 2 неизвестных и не решаемо. Для решения подставляют геометрию с целью исключить одну из неизвестных и получить одно уравнение с одной неизвестной. Такой подход в сравнению с решением системы из всех трех уравнений выглядит менее обоснованно.

В задаче Ламе из стенки толстого цилиндра выделяется кольцевой сегмент, к сторонам которого прикладываются напряжения:

Геометрия сегмента в плане (трапеция с криволинейными основаниями):

Затем по факту происходит замена модели сегмента стенки на кубический элемент.

__

Цитата из работы известных авторов Даркова и Шапиро [11.с.596]: «…в связи с полярной симметрией цилиндра и нагрузки, нормальные напряжения являются главными напряжениями…». И дальше, что по площадкам главных напряжений отсутствуют касательные напряжения.

Задача Ламе приведена Г.Ламе во второй части его монографии по теории упругости в качестве примера применения выведенных им уравнений. Обоснованность полученных результатов решения применения формул Г.Ламе к расчету цилиндра определяется фактом отсутствия моментов в расчетной модели и в части замены кольцевого сегмента на кубический элемент. На основании рассмотрения расчетной модели можно сделать вывод о том, что расчетная модель в виде исходных данных к математическим выкладкам является неполной и, следовательно, результат решения задачи Ламе не является вполне корректным. Необходимо использовать подход с расчетной моделью, аналогичные используемым в теории тонких оболочек.

Теория толстых оболочек на основании решений задачи Ламе подробно изложена в работах академика Ильюшина А.А. [7,с.176].

Построение теории толстых оболочек производится для цилиндрической обечайки под действием одновременно внутреннего и внешнего давлений. Из стенки выделяется сегмент:

Почему-то принята расчетная модель сегмента с отсутствием касательных напряжений по боковым граням.

Разделяем понятия твердого тела и математического понятия тензора, которое используют в теории упругости для описания напряжения в точке.

Для осесимметричной оболочки в сферических координатах принято, что тензор напряжений выглядит в виде трапеции с криволинейными основаниями.

Отсутствие касательных напряжений по боковым граням объясняют симметрией такого тензора. Такое обоснование не справедливо, так как эти напряжения удерживают сегмент от вырова из параллельного круга. А на перпендикулярных гранях учитываемые касательные напряжения удерживают параллельные круги от взаимного смещения.

При переходе от прямоугольной системы координат к сферической системе координат меняется математическое описание тензора, но число сил и напряжений остается тем же в количестве 12 векторов.

Как видно, в тензоре в сферических координатах не учитывают касательные напряжения по боковым граням. Кроме того, для сравнения укажем, что эти напряжения присутствуют в расчетной модели теории тонких оболочек.

За счет этого расчетная модель, на которой строится осесимметричная задача теории упругости, являющаяся теорией толстых оболочек является некорректной.

Для плоской задачи теории упругости происходит такое же некорректное отбрасывание касательных напряжений за счет симметрии, как указано в работе Безухова [19,с.138]: «Если распределение напряжений симметрично относительно оси… Из условий симметрии вытекает, что касательное напряжение τ r