Прочность проверка на прочность растяжением
Эта статья будет посвящена расчетам на прочность, которые выполняются в сопромате и не только. Расчеты на прочность бывают двух видов: проверочные и проектировочные (проектные).
Проверочные расчеты на прочность – это такие расчеты, в ходе которых проверятся прочность элемента заданной формы и размеров, под некоторой нагрузкой.
В ходе проектировочных расчетов на прочность определяются какие-то размеры элемента из условия прочности. Причем, очевидно, что для разных видов деформаций эти условия прочности различны. Также к проектным расчетам можно отнести расчеты на грузоподъемность, когда вычисляется максимальная нагрузка, которую может выдерживать конструкция, не разрушаясь. Рассмотрим более подробно, как проводится прочностные расчеты для разных случаев.
Расчеты на прочность при растяжении (сжатии)
Начнем, пожалуй, с самого простого вида деформации растяжения (сжатия). Напряжение при центральном растяжении (сжатии) можно получить, разделив продольную силу на площадь поперечного сечения, а условие прочности выглядит вот так:
где сигма в квадратных скобках – это допустимое напряжение. Которое можно получить, разделив предельное напряжения на коэффициент запаса прочности:
Причем, за предельное напряжение для разных материалов принимают разное значение. Для пластичных материалов, например, для малоуглеродистой стали (Ст2, Ст3) принимают предел текучести, а для хрупких (бетон, чугун) берут в качестве предельного напряжения – предел прочности (временное сопротивление). Эти характеристики получают при испытании образцов на растяжение или сжатие на специальных машинах, которые фиксируют характеристики в виде диаграммы.
Коэффициент запаса прочности выбирается конструктором исходя из своего личного опыта, назначения проектируемой детали и сферы применения. Обычно, он варьируется от 2 до 6.
В случае если необходимо подобрать размеры сечения, площадь выражают таким образом:
Таким образом, минимальная площадь поперечного сечения при центральном растяжении (сжатии) будет равна отношению продольно силы к допустимому напряжению.
Расчеты на прочность при кручении
При кручении расчеты на прочность в принципе схожи с теми, что проводятся при растяжении. Только здесь вместо нормальных напряжений появляются касательные напряжения.
На кручение работают, чаще всего, детали, которые называются валами. Их назначение заключается в передаче крутящего момента от одного элемента к другому. При этом вал по всей длине имеет круглое поперечное сечение. Условие прочности для круглого поперечного сечения можно записать так:
где Ip — полярный момент сопротивления, ρ — радиус круга. Причем по этой формуле можно определить касательное напряжение в любой точке сечения, варьируя значение ρ. Касательные напряжения распределены неравномерно по сечению, их максимальное значение находится в наиболее удаленных точках сечения:
Условие прочности, можно записать несколько проще, используя такую геометрическую характеристику как момент сопротивления:
То бишь максимальные касательные напряжения равны отношению крутящего момента к полярному моменту сопротивления и должны быть меньше либо равны допустимому напряжению. Геометрические характеристики для круга, упомянутые выше можно найти вот так:
Иногда в задачах встречаются и прямоугольные сечения, для которых момент сопротивления определяется несколько сложнее, но об этом я расскажу в другой статье.
Расчеты на прочность при изгибе
Источник
Содержание:
- Проверка прочности и определение необходимых размеров бруса при растяжении (сжатии)
Проверка прочности и определение необходимых размеров бруса при растяжении (сжатии)
- Испытание на прочность и определение Требуемые размеры луча Напряжение (при сжатии) В предыдущем параграфе рассматривался вопрос о распределении напряжения и деформации балки под действием продольных сил. Однако проблема того, как назначить размеры стержня для надежного и постоянного сопротивления заданной нагрузке, не была решена. Это одна из основных проблем
материального сопротивления. В условиях массового строительства возникает проблема экономии строительных материалов, чтобы полностью гарантировать долговечность конструкции. Если указаны размеры стержня, проблема определения грузоподъемности стержня, то есть стержня, может выдержать его длительную работу без каких-либо опасных изменений.
Для решения этих вопросов должны быть выполнены специальные расчеты. Есть три способа решения этих
Людмила Фирмаль
проблем. 2) Расчет допустимого напряжения, 3) Расчет предельного состояния. Все три метода имеют одинаковую цель — обеспечение прочности, долговечности и структуры. Первый метод включает определение минимальной нагрузки, которая сломает конструкцию, чтобы сравнить эту нагрузку с оценкой для строящейся конструкции. Второй метод широко использовался в строительном бизнесе до
недавнего времени и в настоящее время применяется частично, особенно в машиностроении. Согласно этому способу размеры конструктивных элементов назначаются во всех секциях таким образом, чтобы напряжение, вызванное нагрузкой, не превышало определенного допуска третьего способа, причем «младший» вступил в недавнюю жизнь Это было В настоящее время это основной метод, используемый для проектирования советских сооружений. Значение будет описано ниже. Давайте кратко рассмотрим все три метода. 721
- Способ разрушения груза «В качестве условия для прочности этого метода расчета максимальная нагрузка на конструкцию не должна превышать определенную допустимую нагрузку [P]. , (2,35) Коэффициент безопасности n принимается на основе многих соображений, таких как те, которые подробно обсуждаются в методе расчета допустимого напряжения. Рис 71А Тем не менее) Rgunit описание в списках 0L б Рис 72А Упрощенная иллюстрация растяжения (сжатия), как показано на рисунке, для определения разрушающей нагрузки в конструкции, изготовленной из материала с высокой пластичностью и относительно небольшим отверждением.
71, область текучести расширяется до бесконечности. В этом случае при центральном растяжении или сжатии сила разрыва определяется уравнением Praz = J QjdF = aTF. (2.36) F В случае хрупкого материала, необходимо взять предел прочности на разрыв Р раз = aBF вместо предела текучести. (2.37) В статически неопределенной системе пластического материала появление текучести только одного из наиболее нагруженных элементов все же не приводит к отказу системы. Например, стержень, как показано на рисунке. 72, а, появление текучести на сайте а не разрушено.
Чтобы завершить это Самоуничтожение требует текучести, которая распространяется на обе части стержня. В этом случае разрывная нагрузка (рис. 72, б),
Людмила Фирмаль
равная сумме внутренних продольных сил в двух частях стержня, определяется равенством. Рис .73d Rraz = 2gat. Кроме того, труднее определить разрушающую нагрузку, о которой идет речь, как показано на рисунке. 73, где бесконечно жесткий стержень удерживается тремя стержнями. Здесь сила Праз определяется по состоянию потока по меньшей мере двух стержней. Следовательно, если стержень AB менее нагружен, а два других стержня CD и EC являются текучими, то Prae Точно так же, предполагая, что текучесть появляется в двух стержнях AB и EC или стержнях AB и CD, можно сделать еще два уравнения. Из трех найденных значений силы в
расчет вводится наименьшая сила, которая считается разрушительной. 2. В методе допустимого напряжения максимальное напряжение в стержне не должно превышать так называемое допустимое напряжение, которое выражается как 1А. Например, условием прочности на растяжение является «,» «= -A- <I». — (2.38) г нетто Предполагая, что эффективное напряжение равно допустимому напряжению, N G1 RG —— = M- нетто Из этого уравнения можно определить требуемую площадь для данной силы или, наоборот, допустимую силу для данной площади поперечного сечения. 74допускаемые напряжения равны опасному напряжению АОП,
деленному на коэффициент безопасности р, [а] =. (2,39) • I Для хрупких материалов предел прочности при растяжении AOP = AB считается опасным напряжением. Для пластических материалов предел текучести AOP = при После появления пластической деформации становится ясно, что коэффициент запаса должен быть больше, чем P2, поскольку стержень еще не разрушен. Необходимость введения коэффициента безопасности объясняется следующими обстоятельствами: a) диапазон значений, определенный из опыта работы с этим материалом или AB. б) Рабочая нагрузка может быть
точно определена Допустимое напряжение устанавливается руководящим органом, указанным в технических характеристиках и стандартах проектирования, которые имеют силу закона и обязательны для всех инженеров и техников. В дополнение к вышеизложенным соображениям, при определении факторов безопасности и, следовательно, допустимого напряжения необходимо учитывать множество других факторов: Качество и степень однородности материала. Например, в случае стали коэффициент запаса предполагается равным примерно 1,5, в частности, -3. Для натурального камня материал очень неоднороден, а соотношение запасов составляет -10. 2. Долговечность и значимость конструкции
или машины. Например, если постоянный мост со сроком службы 50-70 лет и временный мост со сроком службы 3-5 лет изготовлены из одной и той же стали, то, конечно, в последнем случае соотношение будет равно 3. уровень. Точность расчета повышается за счет развития технологий, качества изготовления материалов и точности обработки деталей. Следовательно, с течением времени коэффициент безопасности уменьшается, а допустимое напряжение увеличивается. Например, допустимое напряжение низкоуглеродистой стали в Японии постоянно увеличивается. 753 метод предельного состояния Принимая во внимание один фактор в учете, сложно принять множество факторов, которые могут быть выявлены в разных комбинациях для разных структур. В целях более гибкого учета влияния различных факторов был предложен новый метод расчета
предельного состояния. Предельное состояние — это состояние конструкции, в которой оно останавливается для удовлетворения эксплуатационных требований. В норме различают три типа предельных состояний. В первом предельном состоянии несущая способность конструкции истощается. Все конфигурации рассчитываются в этом предельном состоянии. Второе предельное состояние — это состояние, в котором структурой трудно манипулировать из-за больших общих деформаций. В третьем критическом состоянии происходит чрезмерная локальная деформация (например, трещины образуются в железобетонных
конструкциях). Рассмотрим первый расчет предельного состояния более подробно. Испытание на прочность проводится по формуле 4 <R, (2,40) Где N — расчетная сила, создаваемая нагрузкой на элемент конструкции и определяемая по формуле N = N yit + N2P2 + N3P3 +. .., (2-41) где N! 3 — усилия от различных типов нагрузок, определенных в правиле, установленных норм (нормативная мощность); n it p2, PW — случайное отклонение от стандартных нагрузок Геометрические свойства F-сечения (под напряжением и сжимающим сечением); 7? -Расчет сопротивления материала, R = R «кило, (2.42) где R н-
нормативное сопротивление материала (в предел текучести или предел прочности при растяжении AB); 76 & <1- Случайное отклонение от стандартного сопротивления (например, сталь k = 0,94-0,85; бетон k = 0,6; древесина k = 0,34-0,9. Для пластика Где & 0D-коэффициент однородности, принятый для различных пластиков, AOD = 0,64-0,8; kac-коэффициент долговременного сопротивления, учитывающий снижение АБ вследствие длительного воздействия нагрузки. Он берется, когда & DS = 0,7 (SWAM) -? 0,3 (плексиглас, винипласт); t <D- отклонение от проектных размеров (в пределах допуска), разность проектной схемы от фактической конструкции, риск или риск AB в любой точке конструкции и (это Коэффициент составляет 0,94-1,0. Метод предельных условий подробно описан в ходе конструкций и мостов.
Смотрите также:
- Учебник по сопротивлению материалов: сопромату
Источник
2.4. РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ Основной задачей расчета конструкции на растяжение является обеспечение ее прочности в условиях эксплуатации. Условие прочности – оценка прочности элемента конструкции, сводящаяся к сравнению расчетных напряжений с допускаемыми: σ≤рσ[р ]; σ с ≤[ с],σ (2.9) где σр и σс – наибольшие расчетные растягивающие и сжимающие напряжения; [σр] и [σс] – допускаемые напряжения при растяжении и сжатии. Допускаемое напряжение – наибольшее напряжение, которое можно допустить в элементе конструкции при условии его безопасной, долговечной и надежной работы: Здесь σпред – предельное напряжение (состояние), при котором конструкция перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям; им мо- гут быть предел текучести, предел прочности, предел выносливости, пре- дел ползучести и др. Для конструкций из пластичных материалов при определении допускаемых напряжений используют предел текучести σт (рис. 2.4, а). Это связано с тем, что в случае его превышения деформации резко возрастают при незначительном увеличении нагрузки и конструкция перестает удовлетворять условиям эксплуатации. Допускаемое напряжение в этом случае определяют как Для хрупких материалов (чугун, бетон, керамика) где σвр и σвс – пределы прочности при растяжении и сжатии (рис. 2.4, б). Здесь [n] – нормативный коэффициент запаса прочности. В зависимости от той предельной характеристики, с которой сравнивают расчетное напряжение σ, различают [nт] – нормативный коэффициент запаса прочности по отношению к пределу текучести σт и [nв] – нормативный коэффициент запаса прочности по отношению к пределу прочности σв. Запас прочности – отношение предельно допустимой теоретической нагрузки к той нагрузке, при которой возможна безопасная работа конструкции с учетом случайных перегрузок, непредвиденных дефектов и недостоверности исходных данных для теоретических расчетов. Нормативные коэффициенты запаса прочности зависят: − от класса конструкции (капитальная, временная), − намечаемого срока эксплуатации, − условий эксплуатации (радиация, коррозия, загнивание), − вида нагружения (статическое, циклическое, ударные нагрузки) − неточности задания величины внешних нагрузок, − неточности расчетных схем и приближенности методов расчета − и других факторов. Нормативный коэффициент запаса прочности не может быть единым на все случаи жизни. В каждой отрасли машиностроения сложились свои подходы, методы проектирования и приемы технологии. В изделиях общего машиностроения принимают [nт] = 1,3 – 2,2; [nв] = 3 – 5. Вероятность выхода из строя приближенно можно оценить с помощью коэффициента запаса в условии прочности: n = 1 соответствует вероятности невыхода из строя 50 %; n = 1,2 соответствует вероятности невыхода из строя 90 %; n = 1,5 соответствует вероятности невыхода из строя 99 %; n = 2 соответствует вероятности невыхода из строя 99,9 %. Для неответственных деталей n = 2 много. Для ответственных – мало. Так для каната подъемного лифта это означает на 1000 подъемов одно падение. При расчете конструкций на прочность встречаются три вида задач, которые вытекают из условия прочности а) поверочный расчет (проверка прочности). Известны усилие N и площадь A. Вычисляют σ = N/A и, сравнивая его с предельным σт или σв (для пластичного и хрупкого материалов соответственно), находят фактический коэффициент запаса прочности который затем сопоставляют с нормативным [n]; б) проектный расчет (подбор сечения). Известны внутреннее усилие N и допускаемое напряжение [σ]. Определяют требуемую площадь поперечного сечения стержня в) определение грузоподъемности (несущей способности). Известны площадь А и допускаемое напряжение [σ]. Вычисляют внутреннее усилие N≤N[ ] = ⋅[σ]A, (2.15) а затем в соответствие со схемой нагружения – величину внешней нагрузки F ≤ [F].
Источник
Стальные изделия, используемые для создания строительных конструкций, в процессе эксплуатации испытывают значительные напряжения на растяжение, сжатие, резкие механические воздействия. Прилагаемые усилия могут быть как статическими, так и динамическими. Для обеспечения прочности и долговечности конструкции необходимо использовать металлоизделия с механическими характеристиками, соответствующими запланированным эксплуатационным нагрузкам. Испытания на растяжение – один из наиболее распространенных методов определения марки стали или решения спорных вопросов при расследовании причин возникновения нештатных ситуаций и аварий.
Характеристики, определяемые при статических испытаниях на растяжение
Исследования осуществляются в испытательных машинах с ручным или гидравлическим приводом. Второй вариант обеспечивает возможность создания гораздо большей мощности. По результатам исследований составляют диаграмму растяжения.
При механических статических испытаниях на растяжение, проводимых в соответствии с ГОСТом 1497-84, определяют комплекс свойств стали.
Характеристики прочности
- Предел пропорциональности – Ϭп. Характеризует напряжение, выше которого прекращает свое действие закон Гука. После наклепа металла, который, например, осуществляется при холодном деформировании, Ϭп возрастает в 1,5-1,8 раза.
Определение! В законе Гука утверждается, что деформация, образующаяся в упругом теле, прямо пропорциональна прилагаемому усилию.
- Предел текучести – Ϭт. Это нагрузка, при которой деформация повышается при постоянном напряжении. Присутствующая явно горизонтальная площадка на диаграмме может отсутствовать. В этой ситуации устанавливают условный Ϭт, при котором остаточные деформации примерно равны 0,2%.
- Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – Ϭв. Это максимальное усилие, при котором образец не разрушается. Его превышение приведет к разрыву стержня.
- Напряжение разрыва – Ϭр. При испытаниях на прочность определяют два вида напряжения разрыва – условное и истинное.
Характеристики упругости
- Предел упругости – Ϭу. Соответствует нагрузке, при которой остаточное удлинение равно 0,05%. Значения Ϭу и Ϭп на диаграмме находятся рядом, поэтому Ϭу устанавливается при очень тонких исследованиях.
Характеристики пластичности
- Относительное остаточное удлинение. Определяется по формуле Δ=(L1-L0)*100% / L0, в которой L0 – исходная длина образца, L1 – расчетная после окончания исследований.
- Относительное остаточное сужение. Ψ=(А0-Аш)*100% / А0, А0 – площадь сечения стержня до испытаний, Аш – площадь сечения шейки.
Нормативные образцы для проведения статических испытаний на растяжение
Для осуществления испытаний изготавливают образцы круглого или прямоугольного сечения. Нормативы регламентируют как размеры образцов, так и способы механической обработки. Основные условия – однородность размеров по длине, соосность, хорошо обработанная поверхность, на которой должны отсутствовать царапины, порезы. Шероховатость нормируемая.
Длина образцов круглого поперечного сечения:
- коротких – 4-5 диаметров;
- нормальных – 10 диаметров.
Чаще всего изготавливают образцы диаметрами 6, 10, 20 мм. Перед началом испытательных работ образцы измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях в трех местах. Точность измерений – 0,5 мм. Ширину и толщину плоских образцов измеряют по краям и в центре обмеряемой плоскости. Площадь сечения определяется с точностью 0,5%. Точность измерения длины образца – 0,1 мм.
Динамические испытания стальных образцов
Основной вид такого исследования – испытания на изгиб, производимые по ГОСТу 9454-78. При таком виде анализа стальных образцов закон подобия неактуален, поэтому используют образцы с размерами и формой надреза, строго соответствующими нормативам. Основной образец имеет квадратное сечение площадью 10х10 мм и следующие виды надрезов:
- U-образный (образцы Шарпи) – располагается в середине стержня. Такие образцы применяются для установления норм для стержней, на которые будет наноситься V-образный надрез.
- V-образный (образцы Менаже). Основной тип стальных стержней, применяемый для исследований материалов, которые будут использоваться в конструкциях ответственного назначения.
- С Т-образным концентратором. Размеры стержней имеют несколько вариантов. Такие образцы применяют при исследованиях сплавов, предназначенных для эксплуатации в конструкциях, в которых важным является сопротивление росту трещин.
В результате динамических испытаний на изгиб рассчитывают величину ударной вязкости – характеристики, которая зависит от сочетания прочностных и пластических свойств стали. Чем она выше, тем надежней материал работает при динамических нагрузках.
Все стали, изделия из которых предназначаются для эксплуатации при динамических нагрузках, подвергаются испытаниям на ударный изгиб. В зависимости от запланированных рабочих условий, ударную вязкость определяют при нормальных, пониженных или повышенных температурах.
Источник