Конечный элемент растяжения сжатия

Конечный элемент растяжения сжатия thumbnail

Этот конечный элемент представляет собой прямолинейный отрезок длиной ? с двумя узлами (рис. 13.5). В каждом узле имеется одна степень свободы — продольное перемещение и.

Здесь и далее апостроф, указывающий на то, что матрица жесткости построена в местной системе координат опускается.

Конечный элемент растяжения сжатия

Рис. 13.5

Интерполирующая функция для продольного перемещения принимается в виде:
Конечный элемент растяжения сжатия

Линейная функция (13.20) будет точно описывать продольные перемещения на участках стержня между точками приложения сосредоточенных сил.

Коэффициенты ОСо и ОС] определяются с помощью граничных условий: При X—X; U=Ub При X=Xj U=Uj.

Подстановка граничных условий в выражение (13.20) приводит к системе уравнений:
Конечный элемент растяжения сжатия

в результате решения которой определяются (Х0 и ОС] :

Конечный элемент растяжения сжатия

Подставляя выражения для 0 и Oti в формулу (13.20), получим
Конечный элемент растяжения сжатия или

Конечный элемент растяжения сжатия

Тогда в матричном виде:
Конечный элемент растяжения сжатия

Продольная деформация растяжения-сжатия связана с узловыми перемещениями по формуле:

Конечный элемент растяжения сжатия

Так как, согласно выражению (13.21)
Конечный элемент растяжения сжатия то дифференцирование дает:

Тогда
Конечный элемент растяжения сжатия

Конечный элемент растяжения сжатия

где

Конечный элемент растяжения сжатия

представляет собой матрицу градиентов.

Далее, приняв D=E, где Е — модуль упругости, с учетом (13.22), получим:

Конечный элемент растяжения сжатия

Матрица жесткости R подсчитывается по формуле (13.9) с учетом выражения (13.23) следующим образом:
Конечный элемент растяжения сжатия

где F — площадь поперечного сечения стержня.

После перемножения матриц и вычисления интеграла получим:

Конечный элемент растяжения сжатия

Пример 13.1. Ступенчатый стержень (рис. 13.6) нагружен осевыми растягивающими силами Pj=2* 104 Н, Р2=104 Н. Модуль упругости материала Е=2*105 МПа. Площади поперечных сечений и длины участков заданы значениями: Fi=2*10~4 м[1], ^=0,04 м, F2=l-10’4 м[1], ^2=0,05 м. Граничное условие: при х=0 продольное перемещение ui=0. Требуется определить перемещения в точках 2 и 3, деформации, напряжения и усилия на участках между точками 1 и 2 и между точками 2 и 3.

1. Разбиение на конечные элементы. Стержень разбивается на два конечных элемента. Для первого КЭ начальным узлом будет точка 1, конечным — точка 2. Соответственно для второго КЭ этими узлами будут точки 2 и 3.

Конечный элемент растяжения сжатия

Рис. 13.6

Конечный элемент растяжения сжатия

Поскольку оси местных систем координат конечных элементов параллельны общей системе координат, то R, = R[, R2 = R2.

3. Получение системы уравнений метода конечных элементов. Построим систему уравнений с помощью формул (13.15), (13.17), приведенных выше. Матрицы Hi и Н2имеют вид

Конечный элемент растяжения сжатия

Запишем для 1-го элемента:

Конечный элемент растяжения сжатия

Аналогично для 2-го элемента:

Конечный элемент растяжения сжатия

Тогда по формуле (13.17) получим:

Конечный элемент растяжения сжатия

или
Конечный элемент растяжения сжатия

Как уже отмечалось ранее, в практических расчетах выполняется прямое построение глобальной матрицы жесткости и вектора узловых нагрузок. В этом случае формирование глобальной матрицы жесткости R осуществляется путем включения в нее матриц жесткости Rk отдельных КЭ в цикле по всем элементам. Для этого строкам и столбцам матрицы Rk приписываются номера глобальных степеней свободы, что позволяет определить местоположение коэффициентов матрицы жесткости КЭ в глобальной матрице жесткости. Перед началом формирования глобальной матрицы всем ее элементам присваиваются нулевые значения. После этого в глобальную матрицу заносятся коэффициенты матрицы жесткости КЭ на то место, которое определено их адресом. Размерность глобальной матрицы R в данном примере составляет 3×3.

Матрица жесткости записанной выше системы уравнений является вырожденной, ее определитель, в чем легко убедиться, равен нулю. Для учета граничных условий закрепления на левом конце стержня 1-я строка и 1-й столбец матрицы заполняются нулями, коэффициенту Г) 1, стоящему на главной диагонали, присваивается значение, равное единице. Для 1-го элемента грузового вектора сохраняется нулевое значение. Таким образом, первое уравнение будет иметь вид ui=0 и соответствовать заданному граничному условию. Тогда система уравнений МКЭ запишется следующим образом:

Конечный элемент растяжения сжатия

4. Решение системы алгебраических уравнений. В результате решения полученной выше системы уравнений определяются перемещения узлов конечных элементов:

Конечный элемент растяжения сжатия

что соответствует точному аналитическому решению задачи.

5. Определение деформаций,напряжений и усилий. Деформации в конечных элементах определяются по формуле (13.22):

Конечный элемент растяжения сжатия

Напряжения в конечных элементах определяются по формуле (13.24):
Конечный элемент растяжения сжатия

а усилия равны:
Конечный элемент растяжения сжатия

Полученные по МКЭ значения усилий полностью совпадают с точным решением. Эпюры перемещений и усилий в стержне приведены на рис. 13.7а и 13.76.

Конечный элемент растяжения сжатия

Рис. 13.7

Источник

Внутренние усилия при растяжении-сжатии.

Осевое (центральное) растяжение или сжатие прямого бруса вызывается внешними силами, вектор равнодействующей которых совпадает с осью бруса. При растяжении или сжатии в поперечных сечениях бруса возникают только продольные силы N. Продольная сила N в некотором сечении равна алгебраической сумме проекции на ось стержня всех внешних сил, действующих по одну сторону от рассматриваемого сечения. По правилу знаков продольной силы N принято считать, что от растягивающих внешних нагрузок возникают положительные продольные силы N, а от сжимающих — продольные силы N отрицательны (рис. 5).

Читайте также:  Растяжения связки у кота

правило знаков для продольных сил

Чтобы выявить участки стержня или его сечения, где продольная сила имеет наибольшее значение, строят эпюру продольных сил, применяя метод сечений, подробно рассмотренный в статье:
Анализ внутренних силовых факторов в статистически определимых системах
Ещё настоятельно рекомендую взглянуть на статью:
Расчёт статистически определимого бруса
Если разберёте теорию в данной статье и задачи по ссылкам, то станете гуру в теме «Растяжение-сжатие» =)

Напряжения при растяжении-сжатии.

Определенная методом сечений продольная сила N, является равнодействующей внутренних усилий распределенных по поперечному сечению стержня (рис. 2, б). Исходя из определения напряжений, согласно выражению (1), можно записать для продольной силы:

напряжения при растяжении-сжатии

где σ — нормальное напряжение в произвольной точке поперечного сечения стержня.


Чтобы определить нормальные напряжения в любой точке бруса необходимо знать закон их распределения по поперечному сечению бруса. Экспериментальные исследования показывают: если нанести на поверхность стержня ряд взаимно перпендикулярных линий, то после приложения внешней растягивающей нагрузки поперечные линии не искривляются и остаются параллельными друг другу (рис.6, а). Об этом явлении говорит гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли): сечения, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации.

механизм деформации растяжения

Так как все продольные волокна стержня деформируются одинаково, то и напряжения в поперечном сечении одинаковы, а эпюра напряжений σ по высоте поперечного сечения стержня выглядит, как показано на рис.6, б. Видно, что напряжения равномерно распределены по поперечному сечению стержня, т.е. во всех точках сечения σ = const. Выражение для определения величины напряжения имеет вид:

формула напряжения

Таким образом, нормальные напряжения, возникающие в поперечных сечениях растянутого или сжатого бруса, равны отношению продольной силы к площади его поперечного сечения. Нормальные напряжения принято считать положительными при растяжении и отрицательными при сжатии.

Деформации при растяжении-сжатии.

Рассмотрим деформации, возникающие при растяжении (сжатии) стержня (рис.6, а). Под действием силы F брус удлиняется на некоторую величину Δl называемую абсолютным удлинением, или абсолютной продольной деформацией, которая численно равна разности длины бруса после деформации l1 и его длины до деформации l

абсолютное удлинение

Отношение абсолютной продольной деформации бруса Δl к его первоначальной длине l называют относительным удлинением, или относительной продольной деформацией:

относительное удлинение

При растяжении продольная деформация положительна, а при сжатии – отрицательна. Для большинства конструкционных материалов на стадии упругой деформации выполняется закон Гука (4), устанавливающий линейную зависимость между напряжениями и деформациями:

закон гука

где модуль продольной упругости Е, называемый еще модулем упругости первого рода является коэффициентом пропорциональности, между напряжениями и деформациями. Он характеризует жесткость материала при растяжении или сжатии (табл. 1).

Таблица 1

Модуль продольной упругости для различных материалов

модуль продольной упругости для различных материалов

Абсолютная поперечная деформация бруса равна разности размеров поперечного сечения после и до деформации:

абсолютная поперечная деформация бруса

Соответственно, относительную поперечную деформацию определяют по формуле:

относительная поперечная деформация

При растяжении размеры поперечного сечения бруса уменьшаются, и ε’ имеет отрицательное значение. Опытом установлено, что в пределах действия закона Гука при растяжении бруса поперечная деформация прямо пропорциональна продольной. Отношение поперечной деформации ε’ к продольной деформации ε называется коэффициентом поперечной деформации, или коэффициентом Пуассона μ:

коэффициент пуассона

Экспериментально установлено, что на упругой стадии нагружения любого материала значение μ = const и для различных материалов значения коэффициента Пуассона находятся в пределах от 0 до 0,5 (табл. 2).

Таблица 2

Коэффициент Пуассона.

коэффициент пуассона для материалов

Абсолютное удлинение стержня Δl прямо пропорционально продольной силе N:

абсолютное удлинение стержня

Данной формулой можно пользоваться для вычисления абсолютного удлинения участка стержня длиной l при условии, что в пределах этого участка значение продольной силы постоянно. В случае, когда продольная сила N изменяется в пределах участка стержня, Δl определяют интегрированием в пределах этого участка:

Конечный элемент растяжения сжатия

Произведение (Е·А) называют жесткостью сечения стержня при растяжении (сжатии).

Читайте также:  Что помогает при растяжении связок

Механические свойства материалов.

Основными механическими свойствами материалов при их деформации являются прочность, пластичность, хрупкость, упругость и твердость.

Прочность — способность материала сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь и без появления остаточных деформаций.

Пластичность – свойство материала выдерживать без разрушения большие остаточные деформации. Неисчезающие после снятия внешних нагрузок деформации называются пластическими.

Хрупкость – свойство материала разрушаться при очень малых остаточных деформациях (например, чугун, бетон, стекло).

Идеальная упругость – свойство материала (тела) полностью восстанавливать свою форму и размеры после устранения причин, вызвавших деформацию.

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Рассмотрим диаграмму растяжения стержня из малоуглеродистой стали. Пусть круглый стержень длинной l0 и начальным постоянным поперечным сечением площади A0 статически растягивается с обоих торцов силой F.

растягивание стержня до разрушения

Диаграмма сжатия стержня имеет вид (рис. 10, а)

диаграмма растяжения стали

где Δl = l — l0 абсолютное удлинение стержня; ε = Δl / l0 — относительное продольное удлинение стержня; σ = F / A0 — нормальное напряжение; E — модуль Юнга; σп — предел пропорциональности; σуп — предел упругости; σт — предел текучести; σв — предел прочности (временное сопротивление); εост — остаточная деформация после снятия внешних нагрузок. Для материалов, не имеющих ярко выраженную площадку текучести, вводят условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором достигается 0,2% остаточной деформации. При достижении предела прочности в центре стержня возникает локальное утончение его диаметра («шейка»). Дальнейшее абсолютное удлинение стержня идет в зоне шейки ( зона местной текучести). При достижении напряжением предела текучести σт глянцевая поверхность стержня становится немного матовой – на его поверхности появляются микротрещины (линии Людерса-Чернова), направленные под углом 45° к оси стержня.

примеры разрушения материалов

Расчеты на прочность и жесткость при растяжении и сжатии.

Опасным сечением при растяжении и сжатии называется поперечное сечение бруса, в котором возникает максимальное нормальное напряжение. Допускаемые напряжения вычисляются по формуле:

формула допускаемые напряжения

где σпред — предельное напряжение (σпред = σт — для пластических материалов и σпред = σв — для хрупких материалов); [n] — коэффициент запаса прочности. Для пластических материалов [n] = [nт] = 1,2 … 2,5; для хрупких материалов [n] = [nв] = 2 … 5, а для древесины [n] = 8 ÷ 12.

Расчеты на прочность при растяжении и сжатии.

Целью расчета любой конструкции является использование полученных результатов для оценки пригодности этой конструкции к эксплуатации при минимальном расходе материала, что находит отражение в методах расчета на прочность и жесткость.

Условие прочности стержня при его растяжении (сжатии):

Условие прочности стержня

При проектном расчете определяется площадь опасного сечения стержня:

площадь при проектном расчёте

При определении допускаемой нагрузки рассчитывается допускаемая нормальная сила:

допускаемая нормальная сила

Расчет на жесткость при растяжении и сжатии.

Работоспособность стержня определяется его предельной деформацией [ l ]. Абсолютное удлинение стержня должно удовлетворять условию:

ограничение абсолютного удлинения стержня

Часто дополнительно делают расчет на жесткость отдельных участков стержня.

Следующая важная статья теории:
Изгиб балки

Источник

В инженерной практике часто имеют место случаи одновременного действия на стержень поперечных и продольных нагрузок, причем последние могут быть приложены внецентренно. Такой случай показан на рис. 11.26. При этом внутренние усилия в заделке равны:

Конечный элемент растяжения сжатияКонечный элемент растяжения сжатия

Рис. 11.26

Конечный элемент растяжения сжатия

Рис. 11.27

В общем случае растяжения или сжатия с изгибом внутренние усилия определяются раздельно от действия всех составляющих нагрузок. Нормальные напряжения в поперечных сечениях определяются по общей формуле

Конечный элемент растяжения сжатия

Приравняв это выражение нулю, получим уравнение нулевой линии

Конечный элемент растяжения сжатия

Положив в этом уравнении последовательно у = 0 и z = О, получим формулы для определения отрезков, отсекаемых нулевой линией на осях координат:

Конечный элемент растяжения сжатия

Как и во всех рассмотренных выше случаях сложного сопротивления, наибольшие растягивающие и сжимающие напряжения действуют в точках сечения, наиболее удаленных от нулевой линии. Для сечений типа прямоугольника и двутавра это противоположные угловые точки сечения. Значения наибольших и наименьших напряжений в угловых точках можно определить по формулам:

Конечный элемент растяжения сжатия

где величины изгибающих моментов Mz и Му надо взять по абсолютной величине.

Напомним, что во всех предыдущих решениях использовался принцип независимости действия сил, позволяющий определять внутренние усилия для недеформированного состояния стержня. Строго говоря, это возможно только при малых деформациях. В противном случае принцип независимости действия сил использовать нельзя.

Читайте также:  Ушибы растяжения переломы первая помощь

Рассмотрим, например, консольный стержень в условиях сжатия с изгибом (рис. 11.27). Если стержень обладает значительной гибкостью и прогибы от поперечной нагрузки достаточно велики, то сила Р вызывает дополнительный изгиб, а изгибающий момент в заделке от ее действия равен М = PvB. Для негибких стержней этот момент незначителен и его можно не учитывать. Для гибких стержней необходимо проводить расчет по так называемой деформированной схеме с учетом влияния продольных сил на изгиб. Подобные задачи будут рассмотрены в гл. 13.

Пример 11.7. Для короткого консольного деревянного стержня круглого сечения, находящегося в условиях центрального сжатия и изгиба в плоскости Oxz (рис. 11.28), построим эпюру о в опасном сечении.

Конечный элемент растяжения сжатия

Рис. 11.28

Определяем геометрические характеристики сечения:

Конечный элемент растяжения сжатия

Строим эпюры внутренних усилий N и Му (рис. 11.28, а). Изгибающий момент Му вызывает растяжение волокон левой половины стержня и имеет наибольшее значение в заделке: Му = — 4 • 1,2 • 0,6 = —2,88 кНм. Изгибающий момент Mz равен нулю. Определяем значения наибольших нормальных напряжений в точках А и В в сечении вблизи заделки:

Конечный элемент растяжения сжатия

Напряжения во всех точках сечения стержня являются сжимающими. Эпюры о в опасном сечении от действия N и М и суммарная эпюра с приведены на рис. 11.28, б.

Пример 11.8. Для стального стержня, состоящего из двух неравнобоких уголков L 160x100x10, находящегося в условиях центрального растяжения и изгиба в плоскости Оху (рис. 11.29, а), определим расчетное значение силы Р из условия прочности и построим эпюру о в опасном сечении. Совместная работа уголков обеспечена соединениями, показанными пунктиром. В расчетах примем R= 210 МПа = 21 кН/см2, ус = 0,9.

Конечный элемент растяжения сжатия

Рис. 11.29

Определяем геометрические характеристики сечения:

Конечный элемент растяжения сжатия

Строим эпюры N w Mz (рис. 11.29, а). Опасным является сечение в середине стержня, где Mz имеет наибольшее значение. В нижних волокнах стержня нормальные напряжения от действия N и Mz имеют одинаковый знак и являются растягивающими. Из условия прочности по наибольшим растягивающим напряжениям в точке А

Конечный элемент растяжения сжатия

находим Р 29,4 кН. При действии силы Р = 29,4 кН напряжения в точках А и В равны:

Конечный элемент растяжения сжатия

Эпюры о в опасном сечении от действия N w Mzw суммарная эпюра а приведены на рис. 11.29, б.

Пример 11.9. Для стального консольного стержня составного сечения, находящегося в условиях внецентренного растяжения и изгиба (рис. 11.30, а), выполним проверку прочности и построим эпюру а в опасном сечении. В расчетах примем /? = 210 МПа, ус — 0,9.

Построим эпюры N, Mz, Му. Изгибающий момент Mz вызывает растяжение верхних волокон стержня и в заделке равен Mz = —10 • 3,6 — 15 • 1,8 = —63 кНм, а момент М вызывает растяжение волокон левой части сечения (при взгляде от положительного направления оси Ох) и имеет постоянное значение Му = —300 • 0,0625 = —18,75 кНм. Продольная сила является растягивающей и также имеет постоянное значение N = 300 кН.

Наибольшие нормальные напряжения действуют в сечении вблизи заделки (опасное сечение).

Конечный элемент растяжения сжатия

Рис. 11.30

Определяем геометрические характеристики сечения. Учитывая, что для двутавра 124 Fx = 34,8 см2, J = 3460 см4, Jy = = 198 см4, b = 11,5 см, И = 24 см, находим:

Конечный элемент растяжения сжатия

Наибольшие напряжения действуют в противоположных угловых точках опасного сечения. Определяем по формулам (11.17) отрезки, отсекаемые нулевой линией на осях координат. Учитывая, что в первой четверти сечения моменты Mz и Му вызывают сжатие и имеют отрицательный знак, находим:

Конечный элемент растяжения сжатия

Отложив у0 и Zq на осях координат, проводим нулевую линию. На прямой, перпендикулярной нулевой линии, строим эпюру о (рис. 11.30, б), которая является разнозначной. Наибольшие растягивающие напряжения возникают в точке Л . Напряжения в точках Л и В равны:

Конечный элемент растяжения сжатия

Поскольку оА = 123,7 МПа ycR = 189 МПа, прочность стержня обеспечена. Эпюра с в опасном сечении приведена на рис. 11.30, б.

Источник