Tấm tròn, ống dày

CT38Roark's Formulas for Stress and Strain · bài toán Lamé

Tấm tròn chịu áp suất đều (nắp bình, mặt bích kín, piston) và ống thành dày chịu áp suất trong (xi lanh thủy lực, nòng).

Giải thích chi tiết

Bài toán dùng để làm gì

Hai bài toán áp lực thường gặp: (1) tấm tròn phẳng chịu áp suất – nắp bình, mặt bích kín, đáy piston; (2) ống thành dày chịu áp suất trong – thân xi lanh thủy lực, ống cao áp. Công cụ tính ứng suất lớn nhất, độ võng tấm và ứng suất tương đương của ống.

Hình dung đơn giản

Hãy tưởng tượng

Nắp nồi áp suất bị hơi đẩy phồng lên ở giữa như mặt trống. Nếu nắp hàn chặt vào thân (ngàm) thì chỗ bị bẻ mạnh nhất là mép; nếu chỉ đặt tựa thì chỗ nguy hiểm là tâm. Ống chịu áp suất trong giống quả bóng bị thổi: thành ống bị kéo căng theo vòng tròn, mặt trong căng hơn mặt ngoài.

Kiến thức nền cần có

Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.5 ứng suất · 0.6 vật liệu · 0.7 hệ số an toàn · 0.8 uốn · 0.15 áp suất

Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu

Ký hiệuÝ nghĩaĐơn vịLấy số liệu ở đâu
Liên kết chu viNgàm chu vi (hàn kín, kẹp chặt) hoặc tựa đơn giản–Kết cấu thực tế
pÁp suất tác dụng đều lên tấmMPa1 MPa = 10 bar
R, tBán kính và chiều dày tấmmmBản vẽ
E, νMô-đun đàn hồi, hệ số PoissonMPa, –Thép 210 000; 0,3
fy, γGiới hạn chảy, hệ số an toànMPa, –S235: 235 (EN 1993-1-1 Bảng 3.1). γ (trong công cụ ký hiệu g) = 1,5 – cùng mức hệ số với giới hạn chảy mà EN 13445-3 (mục 6) dùng cho thép thiết bị áp lực
piÁp suất trong ốngMPaÁp suất làm việc hệ thủy lực (ví dụ 16 MPa = 160 bar)
ri, roBán kính trong, bán kính ngoài ốngmmBản vẽ, quy cách ống

Xây dựng công thức từng bước

Công thức tổng quát không “từ trên trời rơi xuống”: nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:

Bước 1. Độ cứng trụ của tấm

Đo khả năng chống uốn của tấm, tăng theo lập phương chiều dày; đơn vị N·mm (công cụ ghi “Nmm”):


D = E·t³ / (12·(1 − ν²))

Bước 2. Ứng suất lớn nhất trong tấm

Ngàm: lớn nhất ở mép; tựa: lớn nhất ở tâm (công thức Roark):


Ngàm σmax = 3·p·R²/(4t²) ; Tựa σmax = 3(3 + ν)·p·R²/(8t²) ≤ fy/γ

Bước 3. Độ võng tâm tấm

Tấm tựa võng gấp khoảng 4 lần tấm ngàm:


Ngàm w = p·R⁴/(64D) ; Tựa w = (5 + ν)·p·R⁴/(64(1 + ν)·D)

Điều kiện áp dụng Bước 1–3 (lý thuyết tấm mỏng, Roark chương 11): tấm phẳng chiều dày không đổi, vật liệu đàn hồi; t không quá khoảng 1/4 đường kính tấm và độ võng w không quá khoảng t/2. Nếu w > t/2, tấm làm việc như màng, công thức trên không còn chính xác. Liên kết thật thường nằm giữa “ngàm” và “tựa” – khi không chắc, tính cả hai và lấy kết quả bất lợi hơn.

Bước 4. Ứng suất trong ống thành dày (Lamé)

Tại mặt trong ống có 3 thành phần: vòng (kéo, lớn nhất), hướng kính (nén bằng áp suất), dọc trục (khi ống bịt kín đáy):


σt = p·(ro² + ri²)/(ro² − ri²) ; σr = −p ; σa = p·ri²/(ro² − ri²)

Ở đây p chính là áp suất trong pi (áp suất ngoài bằng 0). Công cụ luôn tính σa cho ống bịt kín hai đầu (xi lanh, bình); ống hở đầu hoặc có khớp giãn nở thì σa = 0. Khi ống mỏng (ro/ri < khoảng 1,1), Lamé gần bằng công thức màng mỏng σt ≈ p·ri/t (xem CT39).

Bước 5. Ứng suất tương đương

Gộp ba thành phần bằng von Mises và so với cho phép:


σv = √{[(σt − σr)² + (σr − σa)² + (σa − σt)²]/2} ≤ fy/γ

Hình CT38.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận
Hình CT38.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận

Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)

Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:

TTĐại lượngKý hiệuGiá trịĐơn vịGhi chú / nguồn
1Liên kết chu vibcNgàm chu vi
2Áp suấtp1MPa
3Bán kính tấmR100mm
4Chiều dàyt8mm
5EE210 000MPa
6νν0,3
7fyfy235MPa
8Hệ số an toàng1,5
13Áp suất trongpi16MPa
14Bán kính trongri31,5mm
15Bán kính ngoàiro38mm

Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:

TTĐại lượngKý hiệuKết quảĐơn vịCông thức / cách tính
9Độ cứng trụ tấmD9 846 154NmmD = Et³/(12(1−ν²))
10Ứng suất lớn nhấtσmax117,2MPaNgàm: 3pR²/(4t²) (ở mép) ; tựa: 3(3+ν)pR²/(8t²) (ở tâm)
11Độ võng tâmw0,159mmNgàm: pR⁴/64D ; tựa: (5+ν)pR⁴/(64(1+ν)D)
12σmax ≤ fy/γKiểm traĐẠT
16Ứng suất vòng mặt trongσt86,29MPaσt = p(ro² + ri²)/(ro² − ri²)
17Ứng suất hướng kính mặt trongσr-16MPaσr = −p
18Ứng suất dọc trục (đáy kín)σa35,14MPaσa = p·ri²/(ro² − ri²)
19Ứng suất tương đươngσv88,58MPavon Mises
20σv ≤ fy/γKiểm traĐẠT

Bước C – Kết luận ví dụ

Kết quả chính: Ứng suất lớn nhất = 117,2 MPa; Độ võng tâm = 0,159 mm; Ứng suất tương đương = 88,58 MPa.

Kiểm tra: σmax ≤ fy/γ: ĐẠT; σv ≤ fy/γ: ĐẠT.

Quyết định: ứng suất cho phép fy/γ = 235/1,5 = 156,7 MPa. Nắp thép phẳng R = 100 mm, dày 8 mm, ngàm chu vi, chịu 1 MPa: σmax = 117,2 MPa ≤ 156,7 MPa → ĐẠT, độ võng 0,159 mm < t/2 = 4 mm nên công thức tấm mỏng dùng được. Nếu nắp chỉ tựa đơn thì σmax = 193,4 MPa → KHÔNG ĐẠT, phải tăng t lên khoảng 9 mm. Ống xi lanh Ø63/Ø76 mm (ri = 31,5; ro = 38) chịu 16 MPa: σv = 88,6 MPa ≤ 156,7 MPa → ĐẠT.

Nếu đổi số liệu ở ô vàng, mọi kết quả tự tính lại. Ô nào báo KHÔNG ĐẠT thì xem mục Áp dụng thực tế bên dưới để biết cần sửa gì.

Áp dụng thực tế và lưu ý

  • Ứng suất tấm tăng theo (R/t)²: tăng chiều dày tấm 20 % giảm ứng suất khoảng 30 %. Gân tăng cứng cũng rất hiệu quả.
  • Mép tấm ngàm (mối hàn nắp) là chỗ ứng suất cao nhất – mối hàn đó cần ngấu hoàn toàn.
  • Với ống, tăng chiều dày quá mức giúp rất ít: dù thành dày vô hạn, mặt trong vẫn chịu σt ≥ p và σr = −p, nên σv không xuống dưới √3·p (đáy kín). Vì vậy áp suất trong chỉ dùng được khi p < fy/(γ·√3) – với S235, γ = 1,5 là khoảng 90 MPa. Khi ro/ri đã lớn hơn khoảng 2 mà vẫn chưa đạt, chọn vật liệu bền hơn thay vì tăng dày.
  • Bình/ống thuộc diện thiết bị áp lực phải tính theo CT39 và quy chuẩn kiểm định; công cụ này chỉ để ước lượng chi tiết máy.

Căn cứ và tài liệu tham khảo

  • Roark’s Formulas for Stress and Strain (Young, Budynas, bản 7/8) – chương 11 “Flat plates”, bảng tấm tròn chiều dày không đổi, trường hợp tải đều toàn tấm, mép tựa đơn và mép ngàm: D, σmax, w ở Bước 1–3 và điều kiện tấm mỏng.
  • Roark’s Formulas for Stress and Strain – chương 13 “Shells of revolution; pressure vessels; pipes”, mục ống thành dày (Lamé): σt, σr, σa ở Bước 4.
  • Timoshenko & Woinowsky-Krieger – Theory of Plates and Shells, chương uốn đối xứng tấm tròn: kiểm chứng cùng công thức tấm.
  • Tiêu chuẩn chảy von Mises (năng lượng biến dạng hình dáng) – Bước 5; trình bày trong mọi giáo trình Sức bền vật liệu.
  • EN 1993-1-1 – mục 3.2.6 (E = 210 000 MPa, ν = 0,3) và Bảng 3.1 (fy S235).
  • EN 13445-3 (bình áp lực không đốt) – mục 6: ứng suất thiết kế thép lấy giới hạn chảy chia 1,5 (căn cứ chọn γ = 1,5). Thiết bị áp lực thật phải tính đầy đủ theo tiêu chuẩn này hoặc tương đương.

← CT37 Ứng suất nhiệt  ·  CT39 Ống / bình áp lực →

Lên đầu trang