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輸入計算

數學公式

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結果

環向(周向)應力
125
MPa
軸向(縱向)應力 62.5 MPa
公式 σ = P·D / 2t

什麼是環向應力?

環向應力(又稱周向應力)是指圓筒形壓力容器或管壁在承受內部壓力時,沿著圓周方向產生的拉應力。對於薄壁管而言——也就是壁厚相較於直徑很小的情況(大致為 \(D/t > 20\))——可假設應力在整個壁厚上均勻分布,並以簡單的關係式 \(\sigma = PD / 2t\) 表示。本計算器會同時給出環向應力與軸向(縱向)應力,而對於封閉圓筒來說,軸向應力恰好是環向應力的一半。

受壓管道橫截面,顯示環向應力與軸向應力的方向
內壓在管壁周向產生環向(周向)應力,並沿管長方向產生軸向應力。

如何使用

輸入內部錶壓 \(P\)、內徑 \(D\) 以及壁厚 \(t\)。請務必保持單位一致:若壓力以 MPa(N/mm²)為單位,且直徑與壁厚以毫米(mm)為單位,所得應力即為 MPa。計算器會將 \(P \cdot D\) 除以 \(2t\) 得到環向應力,除以 \(4t\) 得到軸向應力。

公式解析

薄壁環向應力公式源自於對管路半截面進行的受力平衡分析:作用於投影面積上的壓力(每單位長度為 \(P \cdot D\))必須由兩側切口處的管壁材料來抵抗(\(2 \cdot t \cdot \sigma\))。求解後即得 $$\sigma_h = \frac{\text{Pressure }P \cdot \text{Diameter }D}{2 \cdot \text{Thickness }t}$$ 至於軸向應力,則是由作用於端蓋上的壓力(\(P \cdot \pi D^2/4\))由環狀管壁面積(\(\pi D \cdot t\))來承受,因此 $$\sigma_a = \frac{\text{Pressure }P \cdot \text{Diameter }D}{4 \cdot \text{Thickness }t}$$

管壁橫截面,標註壓力P、直徑D與壁厚t
環向應力公式使用內壓P、內徑D與壁厚t。

實例演算

假設一根管路承受 \(P = 5\) MPa,內徑 \(D = 500\) mm,壁厚 \(t = 10\) mm。環向應力 $$\frac{5 \times 500}{2 \times 10} = \frac{2500}{20} = 125 \text{ MPa}$$ 軸向應力 $$\frac{5 \times 500}{4 \times 10} = 62.5 \text{ MPa}$$ 兩者都遠低於一般結構鋼的降伏強度(約 250 MPa),因此即使尚未加入安全係數,設計仍保有相當充裕的餘裕。

常見問題

薄壁假設在什麼情況下成立?一般來說,當直徑與壁厚的比值大於約 20 時即適用。若管壁較厚,則應改用拉梅(厚壁,Lamé)方程式。

該使用內徑、平均直徑還是外徑?經典公式採用內徑,但對於中等厚度的管壁而言,使用平均直徑可得到略為更精確的結果。

為什麼環向應力是軸向應力的兩倍?因為在幾何結構上,承受軸向荷載的有效管壁面積比承受周向爆裂荷載的面積更大,因而形成 2:1 的比例關係——這也說明了為何承壓管路往往會沿著長度方向裂開。

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