周嚮應力

周嚮應力的產生離不開載荷的作用。

在工程實際中，有些高速旋轉的部件或加速提升的構件等，其質點的加速度是明顯的。如渦輪機的長葉片，由於旋轉時的慣性力所引起的拉應力可以達到相當大的數值；高速旋轉的砂輪，由於離心慣性力的作用而有可能炸裂；又如鍛壓汽錘的錘桿、緊急制動的轉軸等構件，在非常短暫的時間內速度發生急劇的變化等等。這些部屬於動載荷研究的實際工作問題。實驗結果表明，只要應力不超過比例極限，虎克定律仍適用於動載荷下應力、應變的計算，彈性模量也與靜載下的數值相同。

產生周嚮應力的載荷可依其作用方式的不同，分為以下三類：

1、構件作加速運動。這時構件的各個質點將受到與其加速度有關的慣性力作用，故此類問題習慣上又稱為慣性力問題。

2、載荷以一定的速度施加於構件上，或者構件的運動突然受阻，這類問題稱為衝擊問題。

3、構件受到的載荷或由載荷引起的應力的大小或方向，是隨著時間而呈周期性變化的，這類問題稱為交變應力問題。

如下圖所示，平均應力的變化分佈也基本符合鐓粗過程材料內部劃分為三個變形區的特徵，中心區域P1點處，一直處於壓應力狀態，且隨之相對壓下量的增大，壓應力逐漸變大。值得注意的側表面P2點是隨著相對壓下量的增大，平均應力先是表現為壓應力，然後逐漸增大，最終表現為拉應力，這主要是在坯料鐓粗過程的初始階段，P2點主要受軸向壓應力作用，徑嚮應力與周嚮應力都很小，尤其是徑嚮應力，其值可以忽略不計，隨著相對壓下量的增大，坯料側表面逐漸出現鼓形，周嚮應力再增大，且呈現拉應力狀態，由於鼓形的出現，側表面P2點也不再直接承受軸向載荷，而是由其應力分量產生軸向壓應力，軸嚮應力的減小，周嚮應力的增大，所以隨著相對壓下量的增大而增大，最終變成拉應力。P3點在最初階段受摩擦力的影響，處於三向壓應力，隨著壓下量的增加，出現鼓形后，產生了周嚮應力和徑嚮應力，當相對壓下量達到8%左右時，轉變為拉應力狀態，相對壓下量達到30%時處於最大拉應力狀態，之後隨著壓下量的增加，逐漸減小，最終軸向壓應力其主導作用，變為壓應力。P4點是隨著壓下量的增大而減小，一直處於壓應力狀態。當相對壓下量到達30%時，隨著壓下量增大而壓應力幾乎不變。

周嚮應力分析主要包括三方面內容：正確建立模型、真實地描述邊界條件、正確地分析計算結果。所謂建立模型就是將所分析管系的力學模型按一定形式離散化，簡化為程序所要求的數學模型，模型的真實與否是做好應力分析的前提條件。應力分析的根本問題就是邊界條件問題，而體現在工程問題上就是約束（支架）、管口等具體問題的模擬，真實地描述這些邊界條件，才能得到正確的計算結果。要想能夠熟練而正確地分析結果，首先會正確設計支吊架，有一定的相關理論知識如工程力學，流體力學，化工設備及機械等，另外需在一定時間內不斷摸索，總結出規律性的問題。

由機械外載荷引起的正應力和剪切應力，它必須滿足外部和內部的力和力矩的平衡法則。

特徵：一次應力是非自限性，它始終隨所載入荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久強度時，將使管道發生塑性破壞或總體變形，因此在管系的應力分析中，首先應使一次應力滿足許用應力值。

由於變形受到約束所產生的正應力或剪應力，它本身不直接與外力相平衡。

特徵：

1、管道內二次應力通常是由位移載荷引起的（如熱膨脹、附加位移，安裝誤差，振動載荷）。

2、二次應力是自限性的，當局部屈服和產生少量塑性變形時，通過變形協調就能使應力降低下來。

3、二次應力是周期性的（除去安裝引起的二次應力）。

4、二次應力的許用極限是基於周期性和疲勞斷裂模式，不取決於一個時期的應力水平，而是取決於交變的應力範圍和交變的循環次數。

峰值應力，局部應力集中或局部結構不連續或局部熱應力等所引起的較大的應力。

大部分正確評估設備的周嚮應力是用試驗實現，其次代替試驗的最好方法是用有限元分析。CAESARII提供ROT程序利用相應標準自動評估周嚮應力，在評估設備周嚮應力時，管咀載荷取管道應力分析結果中冷態和熱態工況下的較大值。設備標準包括：

1、蒸汽輪機－國家電氣製造協會（NEMA）標準SM23 ；

2、離心泵－美國石油學（API）標準610第6和第7版；

3、離心壓縮機－API標準617 ；

4、空冷器－API標準661；

5、密閉式給水加熱器－熱交換學會（HEI）標準。

使用這些程序時，需輸入相關設備的結構尺寸和作用載荷。