了解微径软管设计中的环向应力
作者：特约编辑 Josh Cosford
环向应力是流体动力中的一个基本概念，但经常被忽视。它表示当内部压力向外推动时施加在管子、圆柱体或圆形壁上的周向应力。想想加固酒桶的钢箍——类似的原理也适用于塑料微孔软管，它可以承受非常高的压力。
环向应力并不与直径成线性关系，而是与壁厚成反比，由以下方程表示：
σ =(P × D) / (2 × t)
其中σ为应力，P为内压，D为内径，t为壁厚。
虽然数学计算可能令人生畏，但关键的一点是，壁厚加倍会产生与内径减半相同的效果。这种关系适用于管道、管道和软管，但不适用于由不同方程控制的压力容器。
考虑额定压力为 5,000 psi 的 PTFE 微孔软管。它的内径可能为 1/8 英寸（0.125 英寸），壁厚仅为 0.060 英寸。要将直径加倍到 1/4 英寸，壁厚也必须加倍到 0.120 英寸。对于 1/2 英寸直径的软管，需要 0.240 英寸的壁厚。
这些数字说明了为什么生产高压、大口径软管或气瓶变得不切实际。内径 12 英寸的 PTFE 液压软管需要近 6 英寸的壁材料，导致外径接近 24 英寸——这是环向应力限制的一个明显例子。
为什么壁厚很重要？这是表面积效应。想象一个内径为 2 英寸、宽为 1 英寸的径向环。其内表面积为周长×宽度，即6.28in²。在 3,000 psi 压力下，内部压力会在该表面上施加 18,840 磅的向外力。
将直径加倍到 4 英寸，周长加倍，因此向外的力会上升到大约 37,699 磅。为了在相同的壁厚下保持 5,000 psi 的额定值，管子需要大约 2 英寸厚的壁来抵抗 63,000 磅的力。
在实践中，我们不会制造 5,000psi PTFE 气缸；所需的墙是不切实际的。在 Higginson，我们将 1/4 英寸壁珩磨钢管用于 4 英寸缸径液压缸，额定压力为 3,000 psi，安全系数为 4:1。
同样，8 英寸内径的气缸需要 1/2 英寸的壁来处理 3,000 psi，而 16 英寸内径的气缸则需要 1 英寸的壁。这些示例证实，环向应力计算可以指导大多数情况下的材料和壁厚决策。
下次测试微径软管时，请记住，即使软管直径很小，向外的力也很大。了解环向应力可确保您安全高效地进行设计。
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