Условие статической прочности при растяжении

Сопротивление материалов

Решение задач на растяжение и сжатие

Расчеты на прочность при растяжении и сжатии

В результате проведения механических испытаний устанавливают предельные напряжения, при которых происходит нарушение работы или разрушение деталей конструкции.
Предельным напряжением при статической нагрузке для пластичных материалов является предел текучести, для хрупких — предел прочности.
Для обеспечения прочности деталей необходимо, чтобы возникающие в них в процессе эксплуатации наибольшие напряжения были меньше предельных.

Отношение предельного напряжения к напряжению, возникающему в процессе работы детали, называют коэффициентом запаса прочности и обозначают буквой s:

s = σпред / σ,

где σ = N / А – реальное напряжение, возникающее в элементе конструкции.

Недостаточный коэффициент запаса прочности может привести к потере работоспособности конструкции, а избыточный (слишком высокий) — к перерасходу материала и утяжелению конструкции. Минимально необходимый коэффициент запаса прочности называют допускаемым, и обозначают [s].
Отношение предельного напряжения к допускаемому запасу прочности называют допускаемым напряжением, и обозначают [σ]:

[σ] = σпред / [s].

Условие прочности в деталях и конструкциях заключается в том, что наибольшее возникающее в ней напряжение (рабочее напряжение) не должно превышать допускаемого:

σmax≤ [σ], или в другом виде: s ≥ [s].

Если допускаемые напряжения при растяжении и сжатии различны, их обозначают [σр] и [σс].

Расчетная формула при растяжении и сжатии имеет вид:

σ = N / А ≤ [σ]

и читается следующим образом: нормальное напряжение в опасном сечении, вычисленное по формуле σ = N /А, не должно превышать допустимое.

На практике расчеты на прочность проводят для решения задач:

— проектный расчет, при котором определяются минимальные размеры опасного сечения;
— проверочный расчет, при котором определяется рабочее напряжение и сравнивается с предельно допустимым;
-определение допускаемой нагрузки при заданных размерах опасного сечения.

***

Растяжение под действием собственного веса

Если ось бруса вертикальна, то его собственный вес вызывает деформацию растяжения или сжатия.
решение задач по сопромату
Рассмотрим брус постоянного сечения весом G, длиной l, закрепленный верхним концом и нагруженный только собственным весом G (рис.1).
Для определения напряжений в поперечном сечении на переменном расстоянии z от нижнего конца применим метод сечений.
Рассмотрим равновесие нижней части бруса и составим уравнение равновесия:

Σ Z = 0; Nz — Gz = 0, откуда:

Nz = Gz = γ А z,

где γ — удельный вес материала бруса, А – площадь его поперечного сечения, z — длина части бруса от свободного конца до рассматриваемого сечения.

Напряжения, возникающие в сечениях бруса, нагруженного собственным весом, определяются по формуле:

σz = Nz / А = γ А z / А = γ z,

т. е. для нагруженного собственным весом бруса нормальное напряжение не зависит от площади поперечного сечения. Очевидно, что опасное сечение будет находиться в заделке:

σmax = γ l.

Эпюра распределения напряжений вдоль оси бруса представляет собой треугольник.
Если требуется определить максимальную длину бруса, нагруженного собственным весом, используют расчет по предельному допустимому напряжению в сечении:

lпр = [σ] / γ.

***

Статически неопределимые задачи

Иногда в практике расчета конструкций требуется определить неизвестные силовые факторы (например, реакции связей или внутренние силы), при этом количество неизвестных силовых факторов превышает количество возможных уравнений равновесия для данной конструкции, и расчет произвести рассмотренными ранее способами не представляется возможным.

Задачи на расчет конструкций, в которых внутренние силовые факторы не могут быть определены с помощью одних лишь уравнений равновесия статики, называют статически неопределимыми. Подобные задачи нередко встречаются при расчете конструкций, подверженных температурным деформациям.
Для решения таких задач помимо уравнений равновесия составляют уравнение перемещений или деформаций.

Рассмотрим невесомый стержень постоянного сечения площадью А, длиной l, жестко защемленный по концам (см. рис. 2).
статически неопределимые задачи
При нагревании в стержне возникают температурные напряжения сжатия.
Попробуем определить эти напряжения.

Составим для стержня уравнение равновесия:

Σ Z = 0; RС — RВ = 0,

откуда следует, что реакции RС и RВ равны между собой, а применив метод сечений установим, что продольная сила N в сечениях стержня равна неизвестным реакциям:

N = RС = RВ.

Составим дополнительное уравнение, для чего мысленно отбросим правую заделку и заменим ее реакцией RВ, тогда дополнительное уравнение деформации будет иметь вид:

Δlt = ΔlСВ

т. е. температурное удлинение стержня равно его укорочению под действием реакции RB, так как связи предполагаются абсолютно жесткими.

Температурное удлинение стержня определяется по формуле: Δlt = αtl, где α — коэффициент линейного расширения стержня.

Укорочение стержня под действием реакции: ΔlСВ = RB l / (EА).

Приравняв правые части равенств, получим:

αtl = RB l / (EА), откуда RB = αtEА.

Температурные напряжения в реальных конструкциях могут достигать значительных величин. Чтобы исключить их отрицательное влияние на прочность конструкций, прибегают к различным методам. Мосты, например, закрепляют лишь на одном конце (на одном берегу), а второй конец оставляют подвижным.
В длинных трубопроводах, подверженных температурным напряжениям, делают компенсирующие карманы, петли и т. д.

***

Материалы раздела «Растяжение и сжатие»:

Примеры решения задач по сопромату.
Основные понятия о деформации растяжения и сжатия.
Деформации при растяжении и сжатии. Потенциальная энергия деформации растяжения.

Срез

Правильные ответы на вопросы Теста № 6

№ вопроса	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Правильный вариант ответа	2	1	1	3	3	2	1	3	2	1

Источник

ОСНОВНОЕ УСЛОВИЕ ПРОЧНОСТИ. ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ. УСЛОВИЕ
ЖЕСТКОСТИ

Ответы на вопросы о прочности может дать оценка прочности
конструкции, которая сводится к сравнению расчетных напряжений с допускаемыми:

Это и есть основные условия прочности.

Расчетное напряжение — наибольшее
по абсолютной величине сжимающее или стягивающее напряжение, возникающее
в опасном сечении конструкции.

Допускаемые напряжения.

Допускаемое напряжение определяется по формуле:

Механические характеристики материалов — величины предела
текучести и предела прочности определяются опытным путем. Автоматически
вычерчивается график «сила — продольная деформация» (Р -l)
Этот график переводится в диаграмму напряжение — относительная деформация
.

где . (Здесь F0
и l0
— первоначальная площадь поперечного сечения и длина стандартного образца)
(рис. 1.22).

Рис. 1.22

— предел пропорциональности;
наибольшее напряжение, при котором еще справедлив закон Гука;

— предеп текучести
(деформации растут без увеличения нагрузки);

Рис. 1.23

— предел прочности
ипи временное сопротивпение разрыву (рис.1 23).

— предел прочности
при растяжении,

— предеп прочности
при сжатии, причем:

В спучае пластичного материапа в качестве предельного напряжения

— принимается предеп
текучести при растяжении , соответствующий
началу текучести материала, а в случае хрупкого материала — предел прочности
при растяжении или сжатии, предшествующий
разрыву образца.

В знаменателе стоит нормативный (требуемый) коэффициент запаса
прочности по отношению соответственно к пределу текучести и пределу прочности
n.

Он представляет собой величину, большую единицы, зависящую
от класса конструкции (капитальная, временная и т.п.), срока ее эксплуатации,
нагрузки (статическая, циклическая и т.п.), возможной неоднородности изготовления
материала и от вида деформации (растяжение, сжатие, изгиб и т.п.).

Нормативный коэффициент запаса прочности регламентируется
для строительных конструкций СН и Пами, для машиностроительных — внутризаводскими
нормами. В большинстве случаев он принимается равным для пластичных материалов
nT
= 1,5 + 2,5, для хрупких nB
= 2,5 + 5.

В случае, когда решающими для прочности конструкции являются
не нормальные, а касательные напряжения (например, при кручении бруса круглого
поперечного сечения), условие прочности имеет вид:

— расчетное касательное
напряжение.

— допускаемое касательное
напряжение, определяемое по формуле:

В случае пластичного материала в качестве предельного
принимают предел текучести при сдвиге
в случае хрупкого материала — предел прочности .

В большинстве случаев допускаемые напряжения при кручении
принимают в зависимости от допускаемых напряжений при растяжении того же
материала. Например, для стали
= 0,5 [], для чугуна .

В практике инженерных расчетов считают возможным допускать
перенапряжение материала до 3 — 5%.

Условие жесткости по логике строится
так же, как и условие прочности. Однако, ограничения накладываются не на
напряжения, а на изменение формы стержня (вала, балки), т.е. деформации.
Для разных видов нагружения условия жесткости имеютвид: при растяжении (сжатии)

при кручении

где — угол закручивания,

при изгибе

где — угол поворота,
у — прогиб.

Источник

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Ульяновское высшее авиационное училище

Гражданской авиации (институт)

И.Н. Карпунина

Н.Ф. Леденева

И.А. Мельникова

И.Е. Сиднева

МЕХАНИКА

Методические указания
по выполнению расчетно-графических работ

(раздел «Сопротивление материалов»)

Ульяновск 2012

ББК В2

К 26

Карпунина, И. Н. Механика : метод. указания по выполнению расчетно-графических работ (раздел «Сопротивление материалов») / И. Н. Карпунина, Н. Ф. Леденева, И. А. Мель-никова, И. Е. Сиднева. – Ульяновск : УВАУ ГА(И), 2012. – 44 с.

Содержат задания и методические рекомендации по выполнению расчетно-графических работ по курсу «Механика» (раздел «Сопротивление материалов»). Для каждой темы приведены 30 вариантов схем, для каждой схемы – по 10 вариантов числовых значений.

Предназначены для курсантов направления 161000.62 – Аэронавигация, профилей подготовки 161000.62.08 – Поисковое и аварийно-спасательное обеспечение полетов воздушных судов и 161000.6209 – Обеспечение авиационной безопасности; для курсантов направления 280700.62 – Техносферная безопасность, профиля подготовки 280700.62.02 – Безопасность технологических процессов и производств.

Печатается по решению Редсовета института.

оглавление

1. Растяжение и сжатие. 4

1.1. Основные понятия. 4

1.2. Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений
и осевых перемещений. 6

1.3. Условие прочности при растяжении (сжатии) 8

1.4. Задание на расчетно-графическую работу № 1. 9

1.5. Пример выполнения расчетно-графической работы № 1. 9

1.6. Варианты расчетных схем.. 13

2. Сдвиг и кручение. 19

2.1. Основные понятия. 19

2.2. Задание на расчетно-графическую работу № 2. 20

2.3. Пример выполнения расчетно-графической работы № 2. 21

2.4. Варианты расчетных схем.. 24

3. Изгиб. 28

3.1. Основные понятия. 28

3.2. Задание на расчетно-графическую работу № 3. 30

3.3. Пример выполнения расчетно-графической работы № 3. 30

3.4. Варианты расчетных схем.. 34

Библиографический список. 42

РАСТЯЖЕНИЕ И СЖАТИЕ

Основные понятия

Растяжение (сжатие) – такой вид нагружения, при котором в поперечных сечениях бруса возникает только продольная сила N. При растяжении продольная сила направлена от сечения, при сжатии – к сечению.

На растяжение (сжатие) работают тросы, тяги приводов управления, шатуны, болты и многие другие детали.

Как показывает опыт, плоские поперечные сечения, перпендикулярные оси бруса, остаются плоскими и перпендикулярными к его оси при растяжении или сжатии (рис. 1.1). Это положение называют гипотезой плоских сечений. Из этой гипотезы следует, что напряжение во всех точках поперечного сечения одинаково, а значит, его можно найти как отношение внутренней силы N к площади поперечного сечения А.

Рис. 1.1

В поперечном сечении I–I при растяжении (сжатии) возникает только нормальное напряжение s, так как сила N перпендикулярна плоскости сечения:

. (1.1)

Под действием растягивающей силы (рис. 1.2) происходит удлинение бруса в продольном направлении и одновременное сужение в поперечном направлении.

Рис. 1.2

Абсолютное удлинение бруса:

. (1.2)

Относительное удлинение (относительная продольная деформация):

.(1.3)

Абсолютное сужение:

. (1.4)

Относительное сужение (относительная поперечная деформация):

. (1.5)

При растяжении абсолютная и относительная продольные деформации – величины положительные, поперечная деформация – величина отрицательная (так как ). При сжатии, наоборот, поперечная деформация – положительна, продольная – отрицательна.

Как показывает опыт, продольная и поперечная деформации связаны прямопропорциональной зависимостью:

, (1.6)

где m – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) – физическая постоянная материала, характеризующая его упругие свойства.

Величина коэффициента Пуассона определяется опытным путем. Его значения для разных материалов лежат в пределах . Для большинства сталей m = 0,3.

Для большинства материалов в определенных пределах справедлив закон Гука. Применительно к растяжению (сжатию) закон Гука формулируется так: нормальное напряжение при растяжении (сжатии) прямопропорционально относительной продольной деформации:

, (1.7)

где Е – модуль упругости (модуль Юнга) – физическая постоянная, характеризующая жесткость материала. Для сталей E = 2 × 105 МПа.

Подставим в формулу (1.7) зависимости для определения напряжения (1.1) и деформаций (1.3). Получим

откуда

. (1.8)

По формуле (1.8) определяют абсолютное удлинение (укорочение) бруса. Произведение EA называется жесткостью при растяжении (сжатии).

1.2. Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений
и осевых перемещений

Для проведения расчетов на прочность и жесткость необходимо знать, как изменяются продольные силы, нормальные напряжения и осевые перемещения по длине бруса. С этой целью строят специальные графики, называемые эпюрами. Рассмотрим построение эпюр на следующем примере.

Пусть ступенчатый брус с площадью поперечного сечения А в правой части и 2А – в левой нагружен осевыми силами F и 4F (рис. 1.3, а). Последовательность расчета бруса такова:

1. Разбиваем брус на участки, границами которых являются точки приложения сосредоточенных сил и места изменения поперечного сечения.

2. Методом сечений на каждом участке определяем продольную силу N. Расчет начинаем со свободного конца бруса. Разрежем третий участок произвольным поперечным сечением и отбросим левую часть. Покажем оставшуюся часть бруса и заменим действие отброшен-ной части продольной силой N3 (рис. 1.3, б).

Составляем уравнение равновесия:

, , .

Таким образом, третий участок испытывает сжатие ( ). По аналогии на втором и первом участках имеем

, ,

т. е. первые два участка испытывают растяжение.

Для построения эпюры продольных сил (рис. 1.3, д) проводим нулевую линию 0–0 параллельно оси бруса. Будем откладывать положительные величины вверх, а отрицательные – вниз от нулевой линии. На первом участке , т. е. первые два участка испытывают
растяжение. Поскольку сечение было сделано произ-вольно, можно утверждать, что в любом сечении на первом участке , т. е. эпюра имеет вид прямо-угольника, высота которого в выбранном масштабе равна силе 3F и отложена вверх от нулевой линии.

Рис. 1.3

По аналогии строится эпюра на втором и третьем участках.

3. Находим нормальное напряжение, возникающее в поперечных сечениях бруса на каждом участке:

На первом участке продольная сила N1 = 3F, площадь поперечного сечения – 2А, поэтому

На втором и третьем участках имеем

, .

Откладывая от нулевой линии найденные значения в масштабе, строим эпюру нормальных напряжений (рис. 1.3, е). Из эпюры видим, в частности, что максимальное напряжение возникает на втором участке.

4. Вычисляем осевые перемещения Δ. В заделке перемещение отсутствует (Δ = 0), поэтому расчеты начнем с заделки. В начале первого участка (z = 0) Δ0 = 0. В конце первого участка (z = 2a) перемещение будет равно удлинению бруса на этом участке, которое найдем по формуле (1.8):

В конце второго участка (z = 3a) перемещение будет складываться из перемещения правого конца первого участка и удлинения второго участка:

По аналогии на третьем участке (z = 4a):

В промежуточных точках участков перемещения определяются точками прямых, соединяющих значения Δ на границах участков, так как удлинение прямопропорционально расстоянию до сечения. С учетом этого строим эпюру осевых перемещений (рис. 1.3, ж). Из эпюры, в частности, видно, что свободный конец бруса переместится вправо (знак «+») на величину

Иногда производится расчет по условию жесткости, в соответствии с которым максимальное перемещение сравнивается с допускаемым значением осевого перемещения [Δ]: .

Условие прочности при растяжении (сжатии)

При расчете на прочность по допускаемым напряжениям считается, что прочность обеспечена, если максимальное возникающее в нем напряжение не превышает допускаемого напряжения, поэтому при растяжении (сжатии) условие прочности имеет следующий вид:

, (1.9)

здесь

или

где sТ – предел текучести; sВ– предел прочности; [n] – заданный запас прочности.

Условие прочности позволяет решать три типа задач:

1. Определение необходимых размеров поперечного сечения бруса.

Из неравенства (1.9) находится необходимая площадь поперечного сечения бруса:

Если сечение бруса – круг, то, зная площадь сечения, находят его диаметр; если сечение – прямоугольник, то по заданному соотношению сторон находят их размеры. Сечение бруса может быть стандартным профилем (уголок, двутавр, швеллер), в этом случае по найденной площади сечения находят соответствующий профиль по ГОСТам сортамента проката.

2. Определение безопасной нагрузки для бруса.

Из условия прочности (1.9) допустимое значение продольной силы, возникающей в брусе, удовлетворяет следующему условию:

По найденному значению Ν определяется и безопасная внешняя осевая нагрузка F. Если продольная сила постоянна по длине бруса, то F = Ν.

3. Проверка прочности бруса.

По заданным нагрузкам и размерам бруса определяется максимальное напряжение, возникающее в нем, и сравнивается с допустимым. Расхождение этих величин характеризует недогрузку или перегрузку бруса:

Рекомендуется, чтобы эта величина лежала в пределах ± 5 %.

Если материал бруса по-разному сопротивляется растяжению и сжатию, то проверку прочности ведут отдельно для растянутых и сжатых участков:

, .

Задание на расчетно-графическую работу № 1

Расчетно-графическая работа № 1 по теме «Растяжение и сжатие» включает две задачи: подбор сечений статически определимого бруса из хрупкого материала (чугуна) и определение безопасной нагрузки для статически определимого бруса.

Задача 1. Для чугунного бруса построить эпюру продольных сил. Из расчета на прочность подобрать размеры круглого и квадратного поперечных сечений участков бруса.

Вариант	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
F, кH
sВР, МПа
sВС, МПа
[n]	2,5	3,0	3,5	4,0	3,5	2,5	3,0	3,5	4,0	3,5

Варианты расчетных схем к задаче 1 приведены на с. 13–15.

Задача 2. Для стального бруса построить эпюры продольных сил, нормальных напряжений и осевых перемещений. Из расчета на прочность по допускаемым напряжениям определить безопасное значение силы F. Вычислить перемещение точки приложения этой силы.

Вариант	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
A, мм2
l, мм
[s], МПа

Варианты расчетных схем к задаче 2 приведены на с. 16–18.

Дата добавления: 2017-02-11; просмотров: 3359 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов