6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의...

13
Chungbuk National University 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계 + + = + + = + = + = ) 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( ν τ ν σ ε E Oa E Oa Oa a a Oa a O x + = = = ) 1 ( 1 ) 1 ( ν τ ε E Oc Oc c c Oc c O y ) 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( ) 1 ( 2 4 tan tan ν τ ν τ ε ε γ π + + + = + = = = E E Oa Oc a O c O c a O x y 2 1 2 1 2 tan 4 tan 1 2 tan 4 tan 2 4 tan γ γ γ π γ π γ π + + = ( ) ν τ τ γ τ γ γ ν τ ν τ ν τ γ γ + = = = = + + + + = + 1 2 2 , , 2 ) 1 ( , ) 1 ( 1 ) 1 ( 1 2 1 2 1 E G G E E E ) 1 ( 2 ν + = E G (6-11) (6-12) < 그림 6-9 > (6-13) Ex) 철강의 경우 E = 2.1 × 10 4 kgf/mm 2 , υ = 0.3 G = 0.8 × 10 4 kgf/mm 2

Upload: others

Post on 30-Aug-2019

8 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계

++=

++=+=′+=′ )1(1)1(1)1( ντνσε

EOa

EOaOaaaOaaO x

+−=−=′−=′ )1(1)1( ντε

EOcOcccOccO y

)1(1

)1(1

)1()1(

24tantan

ντ

ντ

εεγπ

++

+−=

+

−=

′′

=

−=′′

E

EOaOc

aOcOcaO

x

y

21

21

2tan

4tan1

2tan

4tan

24tan γ

γ

γπ

γπγπ

+

−≈

+

−=

( )νττγτγγντ

ντ

ντ

γ

γ

+====+++

+−=

+

−1

22,,

2)1(,

)1(1

)1(1

21

21

EGGEE

E

)1(2 ν+=∴

EG

(6-11)

(6-12)

< 그림 6-9 >

(6-13)

Ex) 철강의 경우

E = 2.1 × 104kgf/mm2, υ = 0.3 ⇒ G = 0.8 × 104kgf/mm2

Page 2: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

[예제 6-4] 예제 6-1과 같은 응력상태에서 모어의 원을 작도하고, 주응력과 최대 전단응력을 구하라.

1) (σx,-τxy)를 σ – τ 좌표상에 점 A로 정한다.

2) y면 응력상태 (-σy,τxy)를 점 B로 정한다.

3) 선분 AB를 그어 모어원의 중심 O1을 구한다.

MPaOO yx 202

105021 =

−=

+=

σσ

MPaEO 3020501 =−= MPaAE 40= ( ) MPaAOR 50)40(30 221 =+==

MPaCOOOOC 705020111 =+=+==σ

MPaDOOOOD 305020112 −=−=−==σ

34

30402tan

1

===EO

AEnθ

6.261.532 == nn θθ

주응력)

최대전단응력) 주응력과 수직을 이루는 O1G가 된다.즉, O1G=60MPa, 이때,

수직응력은 σ=OO1=20MPa 이 된다.

풀이

Page 3: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

[예제 6-5] 일반적으로 연성재료는 전단에 약하고 취성재료는 인장에 약하다. 취성 재료의 원형 단면봉을 비틀었을 때 축과 45° 방향으로 파단면이 생긴다. 그 이유를 알아보라.

1) σ – τ 좌표면에 x면의 응력상태 (0,τxy)를 점 A로 정한다.

2) y면의 응력상태 (0,-τxy)를 점 B로 정한다.

3) AB를 지름으로 하는 원을 그리면 (b)처럼 모어의 응력원이다.

4) 주응력 σ1=τxy, σ2=-τxy, σ1과σ2는 점 A에서 90°, 따라서 A에서 σ1

쪽으로, (c)처럼 x축에서 45° 방향에 σ1이 있다. 취성재료는 인장에

약하므로 σ1의 방향으로 σ1 이 커지면 파단이 생긴다.

따라서 그림 (d)의 점선에 따라 파단면이 생긴다.

풀이

Page 4: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

6-6 얇은 원통 및 구형의 압력용기

(1) 내압을 받는 원통형 압력용기

< 그림 6-10 얇은 원통의 응력 >

내압을 받는 원통의 경우, 축 대칭으로 균일하게

팽창하므로 전단응력은 없고 사각형 요소에는

원주방향응력 σ1과 축방향응력 σ2 모두 인장응력

으로 그림 (b)와 같이 있게 된다.

• 원주방향응력 σ1 1) 그림(c)와 같이 FBD 작성

2) 평형방정식 적용

tpr

tpr

AS

==12

∑ =∴=⋅= prSprddSPn θθ:0

(6-14)

2sin θdS ⋅ θθ dSdS ⋅≈⋅×

2sin2여기서, n방향분력= , dθ 는 미량이므로

Page 5: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

앞에서 구한 σ1은 다음과 같은 방법으로도 구할 수 있다.

< 그림 6-11 >

FBD에서 z축에 관한 힘의 평형을 고려하면,

0)2()2(:0 1 =−=∑ rdxptdxFz σ

tpr

trrp

AP

22

2

12 =

⋅==

ππσ

21 2σσ =

앞의 그림(d)에서 힘의 평형관계를 고려하면,

즉,

따라서 고압으로 작동되는 원통형 보일러나 압력용기의 설계에서 반드시

원주방향의 응력이 축방향 응력의 2배가 되도록 제작하게 된다.

(6-15)

(6-16)

tpr

=∴ 1σ (6-14)

Page 6: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

tpr

z 442)( 121

max ==−

=σσστ

tpr

tpr

yx 42)(,

22)( 2

max1

max ====στστ

tpr22

1max ==∴

στ

z축에 작용하는 세 번째 주응력은 평면응력이므로 σ3=0 이다.

평면내의 최대전단응력은 요소가 z축을 중심으로 46° 회전할 때 발생한다.

x와 y 축에 대해서 46° 회전하여 구한 최대전단응력은 다음과 같다.

따라서 최대전단응력은

1) 원통형 용기의 외면에서의 응력상태

< 참고 2 > 원통형 압력용기에서의 응력

Page 7: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

pt

prtpr

−=== 321 ,2

, σσσ

tprp

tprpp

tprp

zyx 42)(,

242)(,

222)( 21

max2

max1

max =−

=+=+

=+=+

=σστστστ

2) 원통형 용기의 내면에서의 응력상태

참고 3에는 응력상태가 나타나 있고, 그 수직응력들은

각 축에 대하여 46° 회전하여 구한 세 개의 최대전단응력은

위의 응력에서 (τmax)x가 가장 크다. 그러나 r/t가 충분히

크면 p/2항을 무시할 수 있다. 위의 응력관계를 모어원

으로 나타내면 좌측 그림과 같고, 평면내의 최대전단응

력은 AB/2가 되고 최대전단응력은 OA/2가 된다.

< 참고 3 > 원통형 압력용기에서의 응력

< 참고 4 >

Page 8: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

(2) 구형의 압력용기

(6-17)

<그림 6-12(b)>와 (b)로부터 FBD에서 수평방향의 힘의 평형을 취하면 다음을 얻는다.

따라서 구형 압력용기는 원통형 압력용기보다 2배의 큰 힘을 견딜 수 있으므로, 고압형 가스 저장고, LNG수송선에는 구형의 용기가 널리 사용되고 있다.

(6-18)

<그림 6-12> 구형의 압력용기

0)()2(:0 22 =−=∑ rprtPx ππσ

Page 9: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

구형 용기의 외면에서는 주응력이 같기 때문에

모어원에서는 한 점으로 된다. 따라서 평면내

의 최대전단응력은 0 이다. 그러나 요소가 3차

원이고 세 번째 주응력이 0 이라는 사실로부터

그림 6-16과 같은 모어원으로 되고 최대전단

응력은 다음 식과 같이 된다.

< 참고 5 > tpr42

1max ==

στ

2421

maxp

tprp

+=+

=στ

용기 내면에서는 압축응력p(σ3=-p)가 작용하므로 평면내의 최대전단응력은 0 이

지만 평면 외의 (x축, 혹은 y축에 대한 45° 회전하여 구한) 최대전단응력은 다음

식으로 표현된다.

r/t가 상당히 크면 p/2항은 무시할 수 있고 위 식과 동일하게 된다.

Page 10: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

(3) 얇은 원통이 회전하는 경우

< 그림 6-13 얇은 원통의 회전 >

( f : 원심력, ω : 각속도, γ : 비중량, g : 중력가속도 )

2ωγ rgtf =

2221 v

gr

gtfr γωγσ ===

gnr

900

222

1γπσ =

γσ algv ⋅

= γσ

πalg

rn ⋅=

30

(6-19)

(6-20)

sec)/(602 radnπω =

sec)/(30

cmrnrv πω =⋅=

(6-21)

& (6-22)

Page 11: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

(4) 외압을 받는 얇은 원통

< 그림 6-14 얇은 원통의 압궤형태 >

외압 p의 크기가 커지면 σ의 값이 비록 탄성한계 이하일지라도 탄성변형을

일으켜 일부는 회복되지만 나머지는 남아서 그림 6-14과 같은 형태로 원형

이 찌그러지는 좌굴(buckling) 현상이 생긴다. 이러한 얇은 원통의 좌굴을

압궤(collapse) 라 하며,이 때의 외압의 한계값은 압궤압력(pk)라 한다.

(6-22)

단, t : 원통 두께(cm), l = 원통 길이(cm), D : 원통 지름(cm) pk : 압궤 압력(kgf/cm2), υ : 푸아송의 비

Page 12: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

3

138

−=

DtEpk ν

)6(700,519.2

DllDtpk <=

(Unwin-Morley의 식)

(Fair-Bairn의 식)

pk를 구하는 방법은 여기서는 생략하고 결과식만 소개한다.

Page 13: 6-5 탄성계수와 전단탄성계수와의 관계elearning.kocw.net/KOCW/document/2015/chungbuk/chohaeyong/23.pdf · Chungbuk National University 6-6 얇은 원통 및 구형의

Chungbuk National University

얇은 원통 및 구형의 압력용기의 실제 적용 예

< LNG 수송선 -고압용>

< 탱크로리 -저압용>