國營聯招 機械應用力學、材料力學100 年第 35 題單選題
依薄殼理論球形壓力容器,內壓為p,半徑為r,厚度為t,則球外表面最大主應力為
Apr²/t
Bp/r
Cpr/t
Dpr/(2t)正確答案
D正確答案
薄壁球形壓力容器:任一方向主應力 = pr/(2t),球外表面最大主應力即 pr/(2t)。
為什麼答案是 D
球形薄殼因對稱性,任意截面的平衡方程給出 σ·(2πrt) = p·(πr²),解得 σ = pr/(2t),兩主應力相等,此即最大主應力。
考點:量綱錯誤考點:圓柱vs球殼混淆考點:球殼薄壁公式
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完整詳解
Pro · 無限重點 薄壁球形壓力容器:任一方向主應力 = pr/(2t),球外表面最大主應力即 pr/(2t)。
球殼公式只有一個:σ = pr/(2t),兩個方向都一樣,記住分母多個2就對了!
逐選項分析
A量綱錯誤✕
pr²/t 量綱不對(多一個r),屬明顯錯誤選項,非薄殼公式。
B量綱錯誤✕
p/r 缺少厚度t,量綱為壓力/長度,不具應力單位,非正確公式。
C圓柱vs球殼混淆✕ 陷阱
pr/t 是薄壁圓柱形壓力容器的環向(周向)應力公式,常被誤用到球殼,球殼分母需多除以2。
D球殼薄壁公式✓ 正確
球形薄殼因對稱性,任意截面的平衡方程給出 σ·(2πrt) = p·(πr²),解得 σ = pr/(2t),兩主應力相等,此即最大主應力。
薄壁壓力容器應力公式對照
| 容器形狀 | 方向 | 主應力公式 | 說明 |
|---|
| 球形殼 | 任意方向(兩主應力相等) | σ = pr/(2t) | 對稱性→分母有2 |
| 圓柱形殼 | 環向(周向) | σ_θ = pr/t | 最大主應力 |
| 圓柱形殼 | 軸向(縱向) | σ_a = pr/(2t) | 與球殼公式相同 |
選項C的 pr/t 是圓柱殼環向應力公式,外觀與球殼公式極相似,考生若未區分容器形狀極易選錯。球殼因幾何對稱,截面積比圓柱多分攤一半力,故分母多一個2,務必記住「球殼多除2」。