Как найти линейное растяжение
Некоторые конкретные результаты использования операторов разного строения в дифференциальных моделях вязкоупругих сред будут получены в последующих главах и использованы для теоретического объяснения экспериментальных результатов, касающихся напряжений и соотношений между ними при простом сдвиге и одноосном растяжении. Здесь же ограничимся только указанием путей и способов построения нелинейных реологических уравнений дифференциального типа, обобщающих операторное уравнение состояния линейной вязкоупругой среды. [c.115]
Линейное растяжение. Простой сдвиг [c.157]
С другой стороны, известно [23, 24], что при простом сдвиге также наблюдается линейная зависимость между напряжением и деформацией (до 100%). Согласно общей теории деформации высокоэластического материала [23] линейность связи между напряжением и деформацией при сдвиге означает нелинейность ее при растяжении. Однако эксперимент свидетельствует, что это отклонение в случае растяжения не слишком велико, так что уравнение (3.11) можно считать приближенно верным. [c.59]
В условиях одноосного растяжения достижению критического режима деформирования соответствует разрыв образцов полимеров. Значительно более сложные условия осуществляются при простом сдвиге, который может быть осуществлен в широком диапазоне напряжений и скоростей, с использованием метода капиллярной вискозиметрии. Показано [38], что у высокомолекулярных линейных аморфных полимеров критические режимы течения соответствуют резкому переходу от ньютоновского или близкого к нему режима течения к срыву, когда объемный расход может скачкообразно повышаться в десятки, сотни и даже тысячи раз. Кроме того, установлено, что у кристаллизующихся полимеров, подобных линейному полиэтилену, критическим параметрам течения при температурах, близких к температуре плавления, отвечает начало их кристаллизации. Это показано на рис. 4. [c.367]
Муни сосредоточил свое внимание на соотношениях между напряжением и деформацией для различных типов деформаций. Исходя из весьма простых допущений автор показал, что если дана зависимость напряжение — деформация для деформаций одного типа, то для деформаций другого типа зависимость такого рода нельзя выбрать произвольно. Это, по существу, означает, что выбор вида функциональной зависимости упругого потенциала AF от степени растяжения к неизбежно обусловливает вид функциональной зависимости нагрузка — удлинение. В качестве исходного основного типа деформации удобно выбрать простой сдвиг зависимость нагрузки от величины деформации здесь, как правило, линейна (11.77). [c.77]
Если экспериментально получаемое отношение напряжения к деформации является функцией только времени, а не напряжения, то независимо от типа деформаций (просто сдвиг, всестороннее сжатие, растяжение) имеет место так называемое линейное вязкоупругое поведение. Тогда деформация, развивающаяся в полимерном теле к моменту времени действия постоянного напряжения /, может быть рассчитана, если известно деформирующее напряжение и закон изменения деформации во времени [c.82]
Муни рассматривает два случая 1) зависимость напряжение — деформация при простом сдвиге линейна и 2) зависимость напряжение — деформация при простом сдвиге является произвольной (нелинейной) функцией. В обоих случаях вводятся дополнительные допущения, что вначале материал изотропен и что он несжимаем. Простой первый случай приводит к следующему выражению для упругого потенциала (или работы деформирования на единицу объема для общей однородной деформации), выраженного через три главные степени растяжения Хз и Хз [c.116]
Кривые напряжение — дефор.мация обычно получают при простом растяжении, а не при сдвиге, причем иногда при достаточно больших деформациях, прп которых вязкоупругие свойства могут быть нелинейными в отличие от того, что предполагается в уравнениях (3.55) и (3.56). Для мягких материалов при умеренных растяжениях, не сопровождающихся возникновением больших напряжений или изменением внутренней структуры, приведенные уравнения могут быть использованы с заменой 7 и И на с, г и Я/. Однако при больших растяжениях линейная теория становится неприменимой, и вся проблема должна быть пересмотрена (см. гл. 13). [c.77]
И связь между поведением полимеров в различных временных и частотных интервалах и их молекулярным строением. Приведенные здесь графики представляют экспериментальные данные, заимствованные из литературных источников и объединенные методом приведенных переменных (упомянутым в предыдущей главе и детально разобранным в гл, II). чтобы перекрыть возможно более щирокий интервал шкалы эффективного времени или частоты. Все измерения проведены на изотропных материалах при достаточно низких значениях напряжения, обеспечивавших линейность вязкоупругих свойств. Обычно измерения проводились при простом сдвиге, хотя в двух случаях было применено простое растяжение (при котором преобладают эффекты сдвига). Во всех случаях необходимо было вычислять ряд вязкоупругих функций по другим, пспосредствспио измеренным функциям, нсполь зуя методы пересчета, упомянутые в предыдущей главе и подробно изложенные в гл. 3 и 4. Вычисления детально описаны в другой работе [1]. [c.36]
Под сложным сопротивлением понимают различные комбинации рассмотренных ранее простых напряженных состояний брусьев (растяжения, сжатия, сдвига, кручения и изгиба). Частично этого вопроса мы касались прн рассмотрении в главе 8 внецеитреннего растяжения (сжатия). Однако оба эти вида нагружения бруса можно привести к линейной комбинации полученных ранее расчетных соотношений. [c.152]
Таким образом, зависимость касательного напряжения от деформации при сдвиге, предсказываемая гипотезой (1.53), оказывается линейной, и поэтому величина А имеет смысл модуля упругости при сдвиге. Однако модуль упругости при растяжении отнюдь не равен ЗЛ и вообще не имеет того простого смысла, какой ему придается, когда деформации малы. Тем не менее вне зависимости от нелинейности поведения материала при растяжении его свойства описываются только одной константой А, которая характеризует индивидуальные особенности среды. Важно отметить, что нелинейность поведения материала при растяжении не связана с какими-либо структурными эффектами и является следствием только возникновения больпшх упругих деформаций такую нелинейность можно назвать геометрической. [c.60]
Слева —линейные полимеры, справа — сшитые полимеры. Смысл различных кривых разъясняется в тексте. Деформация сдвига / (Л, за исключением кривых V и VU, полученных при простом растяжении D [t). Пункт11рные кривые соответствуют податливости после зычитат я из нее составляюпкм вязкого течения tji]. [c.41]
Не делая пока попыток расширить молекулярную интерпретацию вязкоупругих явлений в полимерах далее тех весьма качественных замечаний, которые сдслаиы в предыдущей главе, перейдем теперь к рассмотрению феноменологической теории линейных вязкоупругих свойств и выведем точные соотношения, с помощью которых каждая из функций, описанных в предыдущей главе (а также в других главах), может быть вычислена из любой другой функции. По этому вопросу имеется обширная литература, и интерес к не.му возникает по нескольким причинам. Прежде всего такие вычисления обычно необходимы для того, чтобы воспроизвести поведение какой-либо функции в большом интерва.те изменения времени или частоты, комбинируя результаты измерений различного тнпа. Большинство кривых, приведенных в гл. 2, получено таким путем. Во-вторых, подобные вычисления имеют практическую ценность, позволяя предсказывать поведение пластика или каучука в определенных условиях, которые могут быть недоступными для прямого эксперимента, на основании измерений, проведенных при других, легче реализуемых условиях. Наконец, феноменологическая теория представляет определенный математический интерес и ее структура может быть представлена в весьма изящно11 фор.ме. Кроме того, она является частным случаем более общей теории линейных преобразований, которая широко используется при анализе электрических цепей. В настоящей главе излагаются основные положения и результаты теории и не затрагиваются более отвлеченные понятия, включающие преобразования Фурье и Лапласа, с которыми читатель может познакомиться в других работах [1—6]. Замечания о выводе уравнений даются лишь для немногих мало известных случаев. Как обычно, все выражения формулируются для деформации сдвига, но аналогичные соотношения имеют место и для объемного сжатия, простою растяжения и т. д. [c.58]
Подобная картина свойств необходима в широком диапазоне изменений как температуры, так и частоты и к тому же для более чем одной моды деформации, поскольку интенсивность и положения переходов зависят от вида напряжения. На практике применяется растяжение (включая изгиб), сдвиг (включая кручение) и трехосное деформирование. Тем не менее, более естественно подразделение на типы колебаний, а не на виды напря-жения, потому, что виды деформации обусловливают диапазон частот в отличие от методов ступенчатого возбуждения (см. главу 5), которые не имеют подобных резко отличающихся временных интервалов. Основная классификация испытаний включает свободные колебания, вынужденные колебания (резонансные или нерезонансные) и волновое распространение, приближенно перекрывая соответственно следующие диапазоны частот 0,01— 10 Гц 10—5-10 Гц и 5-10 —16 Гц. Аналогичное подразделение имеется в экспериментах по диэлектрической проницаемости. Мостовая техника, соответствующая вынужденным методам механических колебаний, используется на частотах 10—16 Гц. Начиная с 10 Гц, применяются резонансные радиочастотные схемы. Выше 10 Гц начинает доминировать индуктивность, и методы ламповых схем приходится заменять методами распределенных цепей, опирающимися на волновое распространение через диэлектрическую среду. Это соответствует распространению колебаний на ультразвуковых частотах в вязкоупругой среде, причем связанных с теми же самыми экспериментальными трудностями потерь энергии на границах раздела сред, отражением волн, эффектом согласования генератора с образцом и т. п. Как правило, амплитуда возбуждения уменьшается с ростом частоты из-за ограничения энергетических возможностей аппаратуры, но даже на самых низких частотах большинство типичных экспериментов проводится в области линейности. Этим объясняется, почему анализ относительно прост. Значительно более важно то, что функция динамического отклика не определяется через интеграл свертки, так что уникальные среди вязкоупругих функций комплексные модуль и податливость могут быть непосредственно подставлены в качестве упругого модуля или упругой податливости в любые формулы зависимости напряжения от деформации, и для вязкоупругих материалов могут быть выбраны известные решения упругих колебательных систем. Это свойство будет использовано в следующих разделах. [c.61]
Некоторые последующие интересные свойства формулы Муни показаны на фиг. 54, которая представляет зависимость /х—от для трех простейших типов деформации растяжения, сжатия и сдвига. Соотношение для сдвига линейно и имеет наклон 2 С1- -С2). Кривая для простого удлинения нелинейна, хотя она и приближается к линейной форме при умеренных удлинениях, однако с меньшим наклоном (2С1), чем для сдвига. [c.122]
Литература по линейной механике разрушения и теории трещин композитных материалов очень обширна, поэтому укажем лишь на основные источники [25, 55, 73, 105, 109, 111, 157, 166, 172, 175, 176, 197, 222]. (Кроме того, здесь и в дальнейшем мы будем часто ссылаться на итоговые работы.) Не анализируя различия используемых методов и моделей, отметим только, что часть этих работ относится к исследованию разрушения компо—зитных материалов, а не конструкций из них, другая часть — к апализу элементов конструкций с уже существующим дефек-Т0Л1 типа трещины, расслоения, разрыва одного или нескольких Волокон и т, д. При этом, как правило, рассматриваются однонаправленно армированные композиты при простейших типах напряженного состояния (одноосное растяжение, сдвиг, сжатие). В реальных изделиях композитный материал имеет более сложный характер армирования и находится в условиях сложного напряженного состояния. [c.3]
Источник
В машиностроении, строительстве и архитектуре при расчетах прочности и жесткости материалов используется математический аппарат технической механики. Деформация растяжения – одно из ключевых понятий, характеризующее механические процессы, происходящие в материалах при приложении к ним внешних воздействий. Для наглядности изучаются изменения, происходящие в брусе с постоянным сечением, характерные для упругой деформации при приложении внешних усилий.
Закон Гука (английский физик Р. Гук, 1653-1703) для упругой деформации растяжения/сжатия гласит, что нормальное напряжение находится в линейной зависимости (прямо пропорционально) к относительному удлинению/укорочению. Математический аппарат технической механики описывает эту формулу следующим образом:
Коэффициент пропорциональности E (модуль упругости, модуль Юнга) – величина определяющая жесткость материала, единица измерения – паскаль (ПА).
Его значения были установлены эмпирическим путем для большинства конструкционных материалов, необходимую информацию можно почерпнуть в справочниках по машиностроению. Относительная деформация является отношением изменения длины бруса к его изначальным размерам, это безразмерная величина, которая иногда отражается в процентном соотношении.
При растяжении или сжатии у бруса меняется не только длина, но происходят поперечные деформации: при сжатии образуется утолщение, при растяжении толщина сечения становится меньше. Величины этих изменений находятся в линейной зависимости друг от друга, причем установлено, что коэффициент пропорциональности Пуассона (фр. ученый С. Пуассон, 1781-1840) остается всегда неизменным для исследуемого материала.
Внутренние усилия при растяжении и сжатии
При приложении к брусу с постоянным сечением внешних воздействий, действие которых в любом поперечном разрезе направлено параллельно его центральной оси и перпендикулярно сечению, с ним происходит следующий вид деформации: растяжение или сжатие. На основе гипотезы о принципе независимости внешнего воздействия для каждого из поперечных разрезов можно рассчитать внутреннее усилие как векторную сумму всех приложенных внешних воздействий. Растягивающие нагрузки в сопромате принято считать положительными, а сжимающие отрицательными.
Рассмотрев произвольный разрез бруса или стержня, можно сказать что внутренние напряжения равны векторной сумме всех внешних сил, сгруппированных по одной из его сторон. Это верно только с учетом принципа Сен-Венана (фр. инженер А. Сен-Венан, 1797-1886) о смягчении граничных условий, т.к. распределение внутренних усилий по поверхности разреза носит сложный характер с нелинейными зависимостями, но в данном случае значением погрешности можно пренебречь как несущественным.
Применяя гипотезу Бернулли (швейцарский математик, И. Бернулли, 1667-1748) о плоских сечениях, для более наглядного представления процессов распределения сил и напряжений по центральной оси бруса можно построить эпюры. Визуальное представление более информативно и в некоторых случаях позволяет получить необходимые величины без сложных расчетов. Графическое представление отражает наиболее нагруженные участки стержня, инженер может сразу определить проблемные места и ограничиться расчетами только для критических точек.
Все вышесказанное может быть применимо при квазистатической (система может быть описана статически) нагрузке стержня с постоянным диаметром. Потенциальная энергия системы на примере растяжения стержня определяется по формуле:
U=W=FΔl/2=N²l/(2EA)
Потенциальная энергия растяжения U концентрируется в образце и может быть приравнена к выполнению работы W (незначительное выделение тепловой энергии можно отнести к погрешности), которая была произведена силой F для увеличения длины стержня на значение абсолютного удлинения. Преобразуя формулу, получаем, что вычислить значение величины потенциальной энергии растяжения можно, рассчитав отношение квадрата продольной силы N помноженной на длину стержня l и удвоенного произведения модуля Юнга E материала на величину сечения A.
Как видно из формулы, энергия растяжения всегда носит положительное значение, для нее невозможно применить гипотезу о независимости действия сил, т.к. это не векторная величина. Единица измерения – джоуль (Дж). В нижней части формулы стоит произведение EA – это так называемая жесткость сечения, при неизменном модуле Юнга она растет только за счет увеличения площади. Величина отношения жесткости к длине бруса рассматривается как жесткость бруса целиком.
Напряжения при растяжении сжатии
Используя гипотезу Бернулли для продольной упругой деформации стержня, можно определить продольную силу N как равнодействующую всех рассредоточенных по сечению внутренних усилий. Гипотеза Бернулли совместно с гипотезой о ненадавливании волокон позволяет сказать, что σ в произвольной точке разреза будут постоянны, т.к. реакция продольных волокон одинакова на всем поперечном разрезе. Для определения величины нормального напряжения σ используется следующая формула:
Напряжение для упруго деформированного стержня описывается как отношение внутренней силы N к площади сечения A. Считается положительным при растяжении, при сжатии рассматривается как отрицательное.
Абсолютная деформация зависит от жесткости сечения, величины продольной силы и длины бруса. Зависимость можно описать по следующей формуле:
Δl=Nl/EA
Таким образом, методика расчета величины абсолютного изменения длины такова: необходимо просчитать отношение значения продольной силы N умноженной на длину стержня l и жесткости сечения (произведение модуля Юнга E на площадь сечения A).
В реальных расчетах на брус действует достаточно много разнонаправленных сил, для решения таких задач требуется построение эпюр, которые могут наглядно показать какие напряжения действуют на разных участках, чем обусловлена деформация при растяжении и сжатии.
В рамках такой квазистатической (условно статической) системы, как брус или стержень с переменным сечением или отверстием, потенциальная энергия растяжения может быть рассмотрена как сумма энергий однородных участков. При проведении расчетов важно правильно разделить стержень на участки и смоделировать все участвующие в процессе силы и напряжения. Для реальных расчетов построение эпюр – сложная задача, которая требует от инженера хорошего понимания действующих на деталь нагрузок. Например, вал со шкивами разного диаметра требует сначала определения критических точек и разбивки на соответствующие участки, затем построения графиков по ним.
Деформации при растяжении сжатии
При растяжении/сжатии бруса могут возникать 2 вида деформации. Первый – упругая, второй – пластическая. Для упругой деформации характерно восстановление первоначальных параметров после прекращения воздействия. В случае пластической стадии деформации материала он утрачивает и не восстанавливает форму и размеры. Величина воздействия для перехода одного вида в другой называется пределом текучести.
Для расчета перемещения при растяжении бруса или стержня следует использовать метод разделения на участки, в рамках которых осуществляется приложение внешних воздействий. В точках воздействия силы следует вычислить величину изменения длины, используя формулу: Δl=Nl/EA. Как видно она зависит от жесткости сечения, длины бруса или стержня и величины действующей продольной силы. Итоговым перемещением для бруса целиком будет сумма всех частичных перемещений, рассчитанных для точек приложения силы.
Поперечные деформации бруса (становится более толстым при сжатии и тонким при растяжении) также характеризуются абсолютной и относительной величиной деформации. Первая – разность между размером сечения после и до приложения внешних воздействий, вторая – отношение абсолютной деформации к его исходному размеру. Коэффициент Пуассона, отражающий линейную зависимость продольной и поперечной деформаций, определяет упругие качества материалов и считается неизменным для растяжения и сжатия. Продольные наиболее наглядно отражают процессы, происходящие в брусе или стержне при внешнем воздействии. Зная величину любой из них (продольной или поперечной) и используя коэффициент Пуассона, можно рассчитать значение неизвестной.
Для определения величины деформации пружины при растяжении можно применить закон Гука для пружин:
F=kx
В данном случае х – увеличение длины пружины, k – коэффициент жесткости (единица измерения Н/м), F – сила упругости, направленная в противоположную от смещения сторону. Величина абсолютной деформации будет равна отношению силы упругости к коэффициенту жесткости. Коэффициент жесткости определяет упругие свойства материала, используемого для изготовления, может быть использован для выбора материала изготовления в условиях решения конкретной задачи.
Расчеты на прочность и жесткость
Прочность характеризует способность конструкционного материала сопротивляться внешним воздействиям без разрушений и остаточных изменений. Жесткость находится в линейной зависимости от модуля Юнга и размера сечения. Чем больше площадь, модуль упругости не меняется, тем больше жесткость. В общем случае жесткость подразумевает способность деформироваться без значительных изменений. Коэффициент запаса прочности – безразмерная величина, равная отношению предельного напряжения к допустимому. Запас прочности характеризует штатный режим работы конструкции даже с учетом случайных и не предусмотренных нагрузок. Наименьшим запасом прочности обладают пластические (1.2-2.5) и хрупкие (2-5) материалы.
Применение в расчетах этих коэффициентов позволяет, например, рассчитать опасную толщину для стержня, при которой может возникнуть максимальное нормальное напряжение. Используя коэффициент прочности и возможное предельное напряжение возможно произвести расчет необходимого диаметра вала, который гарантированно обеспечит упругую деформацию и не приведет к пластической. Для инженеров-экономистов важны расчеты наименьших безопасных размеров деталей конструкции по заданным нагрузкам.
Большинство практических расчетов на прочность и жесткость производятся для получения минимальных значений геометрических размеров конструкционных элементов и деталей машин в условиях известных внешних воздействий и необходимого и достаточного запаса прочности. Может решаться обратная задача получения значений предельных нагрузок при условии сохранения геометрических размеров и для конкретного материала.
Сложные конструкции могут быть разделены на элементарные части, для которых будут производиться расчеты, затем полученные результаты интерпретируются в рамках всей системы, для этого удобно строить эпюры распределения внешних воздействий и внутренних напряжений статически определенной системы.
С помощью известной жесткости материала делают расчеты максимально возможной длины балки или стержня (вала) при условии неизменности его сечения. Для ступенчатых валов необходимо строить эпюры воздействия внешних сил и возникающих в точках их приложения внутренних напряжений в критических точках. От правильно построенной теоретической модели будет зависеть насколько эффективно и долго прослужит вал для станка, не разрушится ли он от динамических крутящих моментов. На этапе проектирования можно выявить потенциальные слабые точки и рассчитать необходимые параметры для заданного предела прочности.
С расчетами на прочность связаны такие понятия, как срез и смятие. Срез проявляется в виде разрушения детали соединения в условиях возникновения в ее поперечном сечении перпендикулярной к нему и достаточной силы.
При расчетах соединений используют пределы текучести используемых материалов и коэффициенты запаса прочности, вычисляют максимально возможные напряжения.
Исследования на прочность обычно подразумевают решение нескольких задач: в условиях проведения поверочного расчета на проверку прочности при известных усилиях и площади сечения оценивают фактический коэффициент запаса прочности; подбор оптимального диаметра при заданных нагрузках и допустимом напряжении; вычисляют грузоподъемность или несущую способность с помощью определения внутреннего усилия при известной площади сечения и напряжении.
Прочностные расчеты при разных видах воздействий в рамках условно статических систем сложны, требуют учета многих, иногда не очевидных, факторов, их практическая ценность заключается в вычислении допустимых размеров конструкционных материалов для заданных параметров запаса прочности.
Источник