什么是一次应力、二次应力、峰值应力

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应力分类

摘自《管道应力分析与计算》P41-43

管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩和其它位移等荷载作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限，使材料在工作状态下发生塑料变形。高温管道的蠕动和应力松弛，也将使管系上的应力状态发生变化。这些情况说明，管系上的应力与一般结构、机械分析中所遇到的低温的和稳定的应力不同。因此，对于不同种类的应力应当区别对待，根据它可能产生的效应和对于破坏所起的作用不同，给予不同的限定。

对于管道上的应力，一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。

一、一次应力

一次应力是由所加荷载引起的正应力和剪应力。它必须满足外部、内部力和力矩的平衡法则。一次应力的基本特征是非自限性的，它始终随所加荷载的增加而增加，超过屈服极限或持久强度，将使管道发生塑性变形。因此，必须防止发生过度的塑性变形，并为爆破或蠕变失效留有足够的裕度。

管道承受内压和持续外载而产生的应力，属于一次应力。管道承受风荷载、地震荷载、水冲击和安全阀动作冲击等荷载而产生的应力，也属于一次应力，但这些荷载都是属于偶然荷载，这些应力属动荷载产生的应力，应当在动力计算中考虑。

一次应力有三种类型：一次一般薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力。

一次一般薄膜应力，是在所研究的截面厚度上均匀分布的，且等于该截面应力平均值的法向应力（即正应力）的分量。如果这种应力达到屈服极限时，将引起截面整体屈服，不出现荷载的再分配。

一次局部薄膜应力，是由内压或其它机械荷载产生的，由于结构不连续或其它特殊情况的影响而在管道或附件的局部区域有所增强的一次薄膜应力。这类应力虽然具有二次应力的一些特征，但为安全计，通常仍划为一次应力。这种应力达到屈服极限时，只引起局部屈服，塑性应变仍然受到周围弹性材料的约束，所以屈服是允许的。假若有一个应力区域，其应力强度超过1.1倍的基本许用应力，在纵向方向的延伸距离不大于，并且与另一个超过一次一般薄膜应力极限的区域沿纵向方向的距离不小于（这里的和S是超过一次一般薄膜应力极限处的管子平均半径和壁厚），此应力区域可以认为是局部的，划为一次局部薄膜应力，否则就应按一次一般薄膜应力考虑。例如，在固定支架处或接管连接处由于外载产生的一次薄膜应力，通常划为一次局部薄膜应力。

一次弯曲应力是在所研究的截面上法向应力（即正应力）从平均值算起的沿厚度方向变化的分量。这种应力达到屈服极限时，也只引起局部屈服。在应力验算中，通常不单独评价一次弯曲应力强度。

二、二次应力

二次应力是管道由于变形受约束所产生的正压力和剪压力。它本身不直接与外力相平衡。二次应力的特征是有自限性的，当局部屈服和产生小量塑性变形就能使应力降低下来。对于塑性良好的管材，一般在管系初次加载时，二次应力不会直接导致破坏，只有当应变在多次重复交变的情况下，才引起管道疲劳破坏。因此，对于二次应力的限定，并不取决于一个期间的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变循环的次数。

管道由热胀、冷缩和其它位移受约束而产生的应力，属于二次应力。但是，在管系弹性转移较大时，这一类应力与一次应力的作用相近。

管道由于温度不均匀的纵向温度梯度或内外壁径向温度梯度所产生的温差应力，以及管道与连接部件有不同的金属特性（线膨胀系数不同）而产生的热应力（或称总体热应力）属于二次应力。二次应力也有二次薄膜应力和二次弯曲应力两部分。

三、峰值应力

峰值应力是管道或附件由于局部结构不连续或局部热应力效应（包括局部应力集中）附加到一次应力或二次应力的增量。它的特点是不引起显著的变形，而且在短距离内从它的根源衰竭，它是一种导致疲劳裂纹或脆性破坏的可能原因。

例如，管道由于温度分布不均匀，不同膨胀几乎全部被限制，不引起显著变形的局部热应力，以及管道附件上小半径圆角处、焊缝未焊透处的应力，均属于峰值应力。

四、结构不连续效应

在管系上，几何形状急剧变化或结构不连续，会影响管道和附件的应力或应变的分布。结构不连续性一般有“总体的”和“局部的”两类。

总体结构不连续包括几何形状或材料的不连续，它会影响承压部分整个壁厚的应力或应变分布。当沿壁厚积分时，总体结构不连续应力将产生纯弯曲和薄膜应力的合成那一部分实际应力分布，对整个结构有显著影响。例如，管系上的三通、堵头、大小头、不同直径或壁厚的管子连接处等。

局部结构不连续也包括几何形状或材料的不连续，但它只影响一部分壁厚应力或应变的分布，而且范围是很小的，对整体结构不连续变形没有显著影响或对整个结构没有显著影响，例如，小的转弯半径处，小连接部件及焊缝未焊透处等。

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