旋壓封頭在力學中常用的基礎理論
由前面的引例中可以看出,要解決旋壓封頭在力學的多種問題,僅用彈性力學的理論是不夠的,還必須借助于其它力學理論。
彈性力學是變形固體力學的一個分支,而變形固體力學除彈性力學這一分支外,還包括旋壓封頭材料力學、理論力學、結構力學、塑性力學、斷裂力學、計算力學、試驗力學等分支。這些分支之間相互支持和交叉,但各自又有側重面。這些力學研究的內容和方法分述如下:
1、材料力學
材料力學主要是研究桿狀構件(即其長度遠大于寬度的構件)在外力作用下所表現出的力學性能(即外力、應力、位移和應變之間的關系),并給出其強度和剛度應滿足的條件,從而確定構件的合理尺寸。旋壓封頭材料力學根據構件的簡單變形規律導出了許多變形固體力學的基本理論,因此它是其它力學的基礎。本節中的 、第二部分實際上 是材料力學的內容。
2、理論力學
理論力學是研究物體機械運動一般規律的科學。物體一旦處于運行狀態,便具有動能和勢能,理論力學通過將物體所受的力與其動能和勢能建立起關系,從而給出物體剛度和強度應滿足的條件,旋壓封頭并由此確定物體的合理結構和尺寸。本書第七章中介紹的管道振動問題, 涉及到了理論力學的理論。
3、結構力學
結構力學主要是研究桿狀構件組成的系統在外力作用下所表現出來的力學性能,并給出系統中各構件的強度和剛度應滿足的條件,從而確定各構件的合理尺寸。應該說,旋壓封頭的結構力學與材料力學是承上啟下的兩個學科,材料力學是結構力學的基礎,而結構力學是材料力學的進一步深化。在旋壓封頭在力學研究中,如果說管道的壁厚設計、管道元件(如三通、大小頭、彎頭、封頭)的強度分析、管法蘭的密封和強度設計等是采用了材料力學、彈性力學和塑性力學理論的話,那么由管道元件組成的管道系統的強度分析則主要是采用了結構力學的理論。這方面的問題將在本章第二節中介紹。
4、彈性力學
彈性力學主要是研究一般彈性體(并非限定于桿狀構件)在外力的作用下所表現出的力學性能。它是材料力學和結構力學的深化和細化。彈性力學理論 突出的 點 是遵守彈性準則,這也是它與塑性力學的主要區別。單個旋壓封頭的受力分析一般都采用彈性力學的理論。
5、塑性力學
塑性力學主要是研究一般彈性體在外力的作用下局部出現屈服時的安定情況,并由此建立其強度判定條件。雖然塑性力學研究的對象與彈性力學相同,但它遵守的是塑性準則,即彈性體中局部出現屈服不一定發生強度破壞,并在此基礎上來建立強度條件。下面旋壓封頭將要介紹的安定分析 是采用了塑性力學的理論。
6、斷裂力學
斷裂力學研究的對象是存在宏觀缺陷的彈性體,研究的內容是尋找存在宏觀缺陷(主要指裂紋)的彈性體在外力的作用下其宏觀缺陷擴展并導致破壞的規律,并由此建立強度條件。第十一章中提到的旋壓封頭壽命評估 是以斷裂力學理論為基礎的分析方法。斷裂力學是一門新發展起來的科學,目前仍有許多不完善的地方,故本書不作過多的介紹。
7、計算力學
計算力學是利用差分法、有限元法等方法將復雜的力學微分方程或者偏微分方程轉化為線性代數方程組,并以此近似求解復雜應力狀態下應力的一門學科,旋壓封頭是彈性力學的深化和發展。前文已經講到,它是伴隨著電子計算機的應用而發展起來的一門新興學科。
8、試驗力學
當構件的邊界條件和受力情況比較復雜,用其它力學方法無法求解或求解比較困難時,可以借助于試驗方法如變形儀法、光學彈性法等實測其應力狀態,旋壓封頭并由此分析評估其強度問題。這樣的一種力學分支稱為試驗力學。試驗力學在工程上應用的并不多。
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