Условные напряжения при растяжении
Под общим названием «условные расчеты» объединяют целую группу задач, относящихся к расчету ряда частей машин и сооружений, как-то: заклепок, болтов, шпонок и т. д. Сюда же относятся расчеты сварных соединений. Перечисленные детали или вообще не являются стержнями, или длина их имеет тот же порядок, что и поперечные размеры. Элементарные соображения показывают, что в этих деталях возникает сложное напряженное с состояние, но теоретическое исследование этого состояния практически невозможно.
В то же время расчет заклепок, болтов, шпонок, сварных швов и т. д. встречается буквально на каждом шагу при конструировании, и для производства этих расчетов необходимо иметь достаточно простые и надежные способы, позволяющие с уверенностью обеспечить прочность конструкции. В основе этих способов лежат крайне упрощенные схемы, при помощи которых находятся некоторые условные напряжения. Расчет состоит в том, что эти условные напряжения сравниваются с условными допускаемыми напряжениями, найденными из опыта, который воспроизводит реальные условия работы детали.
Основные условные схемы, на которых строятся эти расчеты, следующие:
а) разрыв,
б) срез,
в) смятие.
Рассмотрим для примера изображенное на рис. 61 соединение двух полос заклепок. Попытаемся представить себе, как может разрушиться это соединение.
Если ширина полосы b мала и лишь немного превышает диаметр заклепки d, то полоса разорвется, причем разрыв произойдет по сечению с наименьшей площадью, то есть сечению, проходящему через ось заклепки. Площадь его
Здесь — толщина листа.
На этом же рисунке внизу показаны напряжения, возникающие в сечении с минимальной площадью. Закон распределения этих напряжений неизвестен; можно сказать с уверенностью, что они распределены по сечению неравномерно, так как именно у отверстия площадь сечения резко меняется и, следовательно, наблюдается концентрация напряжений.
В § 31 указывалось на сложность вопроса о критериях разрушения при наличии концентрации напряжений, а также на смягчение эффекта концентрации вследствие пластической деформации.
Рис. 61.
Поступая обычным способом, будем считать напряжения равномерно распределенными по опасному сечению. Тогда
и условие прочности принимает вид:
Если диаметр заклепки мал, то сила Р срежет заклепку. Силы давления стенок заклепочного отверстия на цилиндрическую поверхность заклепки вызывают не только срез, но также изгиб заклепки в ее среднем сечении. Мы пренебрегаем напряжениями изгиба и считаем, что сила Р уравновешивается (рис. 62) только касательными напряжениями , равномерно распределенными по поперечному сечению заклепки.
Предположение о равномерном распределении касательных напряжений по сечению очень грубо. На самом деле напряжения в точках контура сечения по закону парности должны равняться касательным усилиям, действующим на боковой поверхности заклепки. Но часть боковой поверхности соприкасается со стенками отверстия, касательное усилие не может превышать величины давления, умноженной на коэффициент трения.
Этой величины не могут превышать и касательные напряжения в сечении в соответствующих точках. С противоположной стороны между заклепкой и отверстием образуется зазор, касательные усилия на некоторой части поверхности равны нулю, следовательно, и в поперечном сечении на некоторой дуге контура касательное напряжение равно нулю. Таким образом, найденное среднее касательное напряжение
является условной величиной.
Требуя, чтобы величина условного касательного напряжения не превышала допускаемого напряжения на срез, получим:
Здесь площадь среза
Допускаемое напряжение на срез обозначается так же, как допускаемое напряжение при чистом сдвиге, но эти величины не следует смешивать, при срезе мы имеем по существу сложное напряженное состояние.
Рис. 62.
Наконец, при малой толщине листа давление между цилиндрическими поверхностями заклепки и заклепочного отверстия может оказаться настолько велико, что материал листа или заклепки начнет пластически деформироваться, отверстие приобретет овальную форму и соединение ослабится.
Для подсчета давления его совершенно условно относят к диаметральному сечению, поскольку не известны ни закон распределения давления по поверхности, ни границы области контакта, и получают следующее условие прочности:
Здесь площадь смятия .
На рис. 63 показана предположительная эпюра распределения давления между заклепкой и стенкой отверстия.
Поскольку расчетные напряжения, найденные выше, являются условными, допускаемые напряжения должны быть найдены из опыта, проведенного в условиях, аналогичных тем, которые реализуются в рассмотренном заклепочном соединении.
Допускаемое напряжение на растяжение при этом выбирают обычным способом, по временному сопротивлению или пределу прочности, найденному путем испытания на растяжение гладкого образца. Обычные запасы прочности оказываются достаточными для того, чтобы учесть неравномерность распределения напряжений. Для допускаемого напряжения на срез рекомендуется следующее значение:
Мы видели (§ 47), что предел текучести при сдвиге составляет немного более половины предела текучести при растяжении. Рекомендуемое отношение допускаемого напряжения при срезе к допускаемому напряжению при растяжении не связано с каким-то теоретически обоснованным условием прочности или пластичности, — это чисто эмпирическая величина.
Рис. 63.
Что касается допускаемого напряжения на смятие, нужно иметь в виду, что частичный переход в пластическое состояние материала вблизи поверхности контакта не является опасным. Поэтому допускаемое напряжение на смятие можно принимать относительно высоким. Обычно рекомендуется
Для различных материалов и различных условий работы допускаемые напряжения устанавливаются специальными нормами, которые можно найти в справочных изданиях по строительному проектированию, по деталям машин и т. д.
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).
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:
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.
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:
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
Отношение абсолютной продольной деформации бруса Δl к его первоначальной длине l называют относительным удлинением, или относительной продольной деформацией:
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:
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
Абсолютная поперечная деформация бруса равна разности размеров поперечного сечения после и до деформации:
Соответственно, относительную поперечную деформацию определяют по формуле:
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:
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.
Абсолютное удлинение стержня Δl прямо пропорционально продольной силе N:
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:
Произведение (Е·А) называют жесткостью сечения стержня при растяжении (сжатии).
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.
Диаграмма сжатия стержня имеет вид (рис. 10, а)
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.
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:
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):
При проектном расчете определяется площадь опасного сечения стержня:
При определении допускаемой нагрузки рассчитывается допускаемая нормальная сила:
Расчет на жесткость при растяжении и сжатии.
Работоспособность стержня определяется его предельной деформацией [ l ]. Абсолютное удлинение стержня должно удовлетворять условию:
Часто дополнительно делают расчет на жесткость отдельных участков стержня.
Следующая важная статья теории:
Изгиб балки
Источник
При растяжении и сжатии в сечении действует только нормальное напряжение. Напряжения в поперечных сечениях могут рассматриваться как силы, приходящиеся на единицу площади. Таким образом, направление и знак напряжения в сечении совпадают с направлением и знаком силы в сечении (рис.32.).
Исходя из гипотезы плоских сечений, можно предположить, что напряжение при растяжении и сжатии в пределах каждого сечения не меняются. По этому напряжение можно рассчитать по формуле:
где Nz — продольная сила; А — площадь поперечного сечения.
Величина напряжения прямо пропорциональна продольной силе и обратно пропорциональна площади поперечного сечения.
Нормальные напряжения действуют при растяжении от сечения (рис. 33а), а при сжатии к сечению (рис. 336).
Размерность (единица измерения) напряжений — (Па), однако это слишком малая единица, и практически напряжения рассчитывают в
При определении напряжений брус разбивают На участки нагружений, в пределах которых продольные силы не изменяются, и учитывают места изменений площади поперечных сечений. Рассчитывают напряжения по сечениям, и расчёт оформляют в виде эпюры нормальных напряжений.
Строится и оформляется такая же эпюра, как и эпюра продольных сил.
Пусть в результате деформации первоначальная длина стержня l станет равной. l1. Изменение длины
называется абсолютным удлинением стержня.
Отношение абсолютного удлинения стержня к его первоначальной длине называется относительным удлинением ( – эпсилон) или продольной деформацией. Продольная деформация – это безразмерная величина. Формула безразмерной деформации:
При растяжении продольная деформация считается положительной, а при сжатии – отрицательной.
Поперечные размеры стержня в результате деформирования также изменяются, при этом при растяжении они уменьшаются, а при сжатии – увеличиваются. Если материал является изотропным, то его поперечные деформации равны между собой:
.
Опытным путем установлено, что при растяжении (сжатии) в пределах упругих деформаций отношение поперечной деформации к продольной является постоянной для данного материала величиной. Модуль отношения поперечной деформации к продольной, называемый коэффициентом Пуассона иликоэффициентом поперечной деформации, вычисляется по формуле:
Для различных материалов коэффициент Пуассона изменяется в пределах . Например, для пробки , для каучука , для стали , для золота .
5. Определение перемещений в стержне при растяжении-сжатии.
При растяжении — сжатии относительная продольная деформация в каждой
точке поперечного сечения стержня одна и та же и определяется как
где и — продольное перемещение поперечного сечения. Из
данного равенства du = zdx. Интегрируя его
(10)
где м0 — перемещение начального поперечного сечения стержня; и — перемещение рассматриваемого поперечного сечения, положение которого определяется координатой х ; л:0- координата начального поперечного сечения.
По закону Гука при растяжении-сжатии где Е — модуль упругости
1-го рода материала стержня. Обозначим — изменение длины
стержня для рассматриваемого поперечного сечения. Тогда (10) примет вид
Если свойства материала по длине стержня не изменяются и Е const, то
. (12)
Функция нормальных напряжений а, как правило, имеет разрывы при переходе с одного участка на другой (рис.7,6) и непрерывна в пределах каждого участка. Поэтому, если рассматриваемое сечение (рис. 7,в) находится в пределах первого участка 0<х<а (0<Jtj < я), то изменение длины стержня
в данном поперечном сечении равно (учитываем, что а, = const)
Если рассматриваемое сечение (рис. 7,г) находится в пределах 2-го участка , то изменение длины стержня в данном поперечном сечении равно (учитываем, что ст2 ~ const)
(14)
6. Диаграмма растяжения и механические характеристики материала.
Диаграмма растяжения показывает зависимость удлинения образца от продольной растягивающей силы.
Ее построение является промежуточным этапом в процессе определения механических характеристик материалов (в основном металлов).
Диаграмму растяжения материалов получают экспериментально, при испытаниях образцов на растяжение.
Для этого образцы стандартных размеров закрепляют в специальных испытательных машинах (например УММ-20 или МИ-40КУ) и растягивают до их полного разрушения (разрыва). При этом специальные приборы фиксируют зависимость абсолютного удлинения образца от прикладываемой к нему продольной растягивающей нагрузки и самописец вычерчивает кривую характерную для данного материала.
На рис. 1 показана диаграмма для малоуглеродистой стали. Она построена в системе координат F-Δl, где:
F — продольная растягивающая сила, [Н];
Δl — абсолютное удлинение рабочей части образца, [мм]
Рис. 1 Диаграмма растяжения стального образца
Как видно из рисунка, диаграмма имеет четыре характерных участка:
I — участок пропорциональности;
II — участок текучести;
III — участок самоупрочнения;
IV — участок разрушения.
Рассмотрим подробнее процесс построения диаграммы.
В самом начале испытания на растяжение, растягивающая сила F, а следовательно, и деформация Δl стержня равны нулю, поэтому диаграмма начинается из точки пересечения соответствующих осей (точка О).
На участке I до точки A диаграмма вычерчивается в виде прямой линии. Это говорит о том, что на данном отрезке диаграммы, деформации стержня Δl растут пропорционально увеличивающейся нагрузке F.
После прохождения точки А диаграмма резко меняет свое направление и на участке II начинающемся в точке B линия какое-то время идет практически параллельно оси Δl, то есть деформации стержня увеличиваются при практически одном и том же значении нагрузки.
В этот момент в металле образца начинают происходить необратимые изменения. Перестраивается кристаллическая решетка металла. При этом наблюдается эффект его самоупрочнения.
После повышения прочности материала образца, диаграмма снова «идет вверх» (участок III) и в точке D растягивающее усилие достигает максимального значения. В этот момент в рабочей части испытуемого образца появляется локальное утоньшение (рис. 2), так называемая «шейка», вызванное нарушениями структуры материала (образованием пустот, микротрещин и т.д.).
Рис. 2 Стальной образец с «шейкой»
Вследствие утоньшения, и следовательно, уменьшения площади поперечного сечения образца, растягиваещее усилие необходимое для его растяжения уменьшается, и кривая диаграммы «идет вниз».
В точке E происходит разрыв образца. Разрывается образец конечно же в сечении, где была образована «шейка»
Работа затраченная на разрыв образца W равна площади фигуры образованной диаграммой. Ее приближенно можно вычислить по формуле:
W=0,8Fmax⋅Δlmax
По диаграмме также можно определить величину упругих и остаточных деформаций в любой момент процесса испытания.
Для получения непосредственно механических характеристик металла образца диаграмму растяжения необходимо преобразовать в диаграмму напряжений.
7.
8. Понятия о допускаемых напряжениях и деформациях при растяжении и сжатии. Условия прочности и жёсткости. Три вида расчетов на прочность и жесткость.
Допускаемые напряжения – это наибольшие напряжения, которые можно допустить в конструкции при условии его безопасной, надежной и долговечной работы.
Как показывают механические испытания (испытания на растяжение и сжатие), разрушение хрупких материалов начинается, когда напряжения в сечении элемента конструкции превысят величину временного сопротивления (предела прочности) σв. Поэтому для хрупких материалов, деформация которых, как правило, незначительна, за опасное (предельное) напряжение следует принимать именно предел прочности σв:
σо = σв.
Для пластичных материалов за опасное (предельное) напряжение следует принимать предел текучести σт (или условный предел текучести σ0,2, если площадка текучести отсутствует), так как за пределом текучести в пластичных материалах возникают значительные пластические деформации, приводящие при сбросе нагрузки до нуля к появлению остаточных напряжений, следовательно:
σо = σт .
Естественно, что эти опасные напряжения не могут быть использованы в качестве допускаемых. Их следует уменьшить настолько, чтобы в эксплуатационных условиях действующие напряжения гарантированно были меньше опасных, а деформации были упругими. Таким образом, допускаемое напряжение может быть определено по формуле σо
где σо – опасное напряжение; n – коэффициент запаса прочности.
Рассмотрим условия прочности и жесткости для случаев простого растяжения (сжатия). Опасность наступления разрушения характеризуется величинами наибольших нормальных и касательных напряжений, возникающих при нагружении в опасных (т. е. наиболее напряженных) точках сечения. Очевидно, что реальные материалы не могут выдерживать сколь угодно большие напряжения. Поэтому величины наибольших напряжений из условия надежности работы детали необходимо ограничивать некоторыми допустимыми значениями, такими, чтобы деталь испытывала только упругие деформации. Их называют допускаемыми напряжениями. При растяжении и сжатии допускаемые напряжения обозначают [σ+], [σ–] соответственно (принято также обозначение σadm).
Если из расчета известны максимальные и минимальные (по алгебраической величине) напряжения, возникающие в опасном сечении детали, то условия прочности могут быть записаны следующим образом:
Если материал одинаково сопротивляется растяжению и сжатию, что характерно для пластичных материалов (более строго–для материалов в пластичном состоянии), а значит [σ+]=[σ–]=[σ], то
иусловие прочности при растяжении (сжатии) запишем в виде:
В некоторых случаях для обеспечения нормальной работы машин и сооружений размеры их деталей нужно выбирать так, чтобы обеспечивалось условие жесткости, то есть ограничить предельные деформации (перемещения) элементов конструкции.
Условие жесткости, ограничивающее изменение длины элемента, имеет следующий общий вид:
где∆l – изменение размеров детали; [∆l] – допускаемая величина этого изменения.
Учитывая, что при растяжении (сжатии) абсолютное удлинение в общем виде определяется как алгебраическая сумма величин ∆l по участкам
условие жесткости при растяжении (сжатии) запишем следующим образом:
Используя условие прочности, можно решать три типа задач:
1) проектировочный расчет – по известным нагрузкам для известного материала найти надежные с точки зрения прочности размеры поперечного сечения стержня (спроектировать прочную деталь);
2) проверочный расчет – по заданным размерам и материалу детали проверить, может ли она выдержать приложенную нагрузку;
3) расчет по несущей способности (грузоподъемности) – по известным размерам детали, материалу и схеме нагружения определить допустимую величину нагрузки на деталь.
9. Напряжения и деформации при сдвиге. Условие прочности.
Сдвиг (срез) – вид деформации, при котором одна часть стержня смещается относительно другой (скользит). Сдвиг, как вид нагружения, встречается редко и имеет место в заклепочных и сварных соединениях. Деформация сдвига происходит в случае, если к стержню приложены две равные по модулю противоположно направленные силы P , перпендикулярные к его продольной оси. Расстояние между этими силами должно быть малым, чтобы можно было пренебречь моментом, создаваемым силами.
Рис. 16. Расчетная схема при сдвиге
Используя метод сечений (разрезая стержень между силами P), можно установить, что в поперечном сечении стержня возникает только одно внутреннее усилие – поперечная сила Q.
Такой вид нагружения, при котором в поперечных сечениях стержня действует только поперечная сила, называют чистым сдвигом.
Мера скольжения одного поперечного сечения относительно другого – касательные напряжения τ.
Принято, что касательные напряжения распределены по всей площади поперечного сечения равномерно. Если в поперечном сечении стержня площадью A возникает внутренняя поперечная сила Q = P, то касательные напряжения в любой точке этого сечения будут равны: T = Q/A = P/A.
Рис. 17. Чистый сдвиг
При чистом сдвиге возникает плоское напряженное состояние, тогда напряжения, действующие на площадке составляющей угол α с вертикальной исходной площадкой равны:
Касательные напряжения τ, приведенные на рис. 17, по абсолютной величине больше касательных напряжений по любым другим площадкам. Таким образом, они являются экстремальными, а площадки, по которым они действуют – площадками сдвига. Так как по этим площадкам не действуют нормальные напряжения, то их называют площадками чистого сдвига и они образуют с главными площадками углы, равные 45°.
При чистом сдвиге нормальные напряжения на любых двух взаимно перпендикулярных площадках равны друг другу по модулю и противоположны по направлению.
Касательные напряжения τ измеряются в таких же единицах, что и нормальные напряжения: мегапаскалях, килоньютонах на квадратные сантиметры, килограммах силы на квадратный сантиметр (МПа, кН/см2, кгс/см2) и т.п.
В результате сдвига одно поперечное сечение стержня смещается относительно другого на величину δ, называемую абсолютным сдвигом.
Рис. 18. Углы сдвига
10. Напряженное состояние и закон гука при сдвиге
Чистый сдвиг — напряженное состояние, при котором по взаимно перпендикулярным площадкам (граням) элемента возникают только касательные напряжения. Касательные напряжения , где Q — сила, действующая вдоль грани, F — площадь грани. Площадки, по которым действуют только касательные напряжения, называются площадками чистого сдвига. Касательные напряжения на них — наибольшие. Чистый сдвиг можно представить как одновременное сжатие и растяжение, происходящее по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Т.е. это частный случай плоского напряженного состояния, при котором главные напряжения: s1= — s3 = t; s2= 0. Главные площадки составляют с площадками чистого сдвига угол 45о.
При деформации элемента, ограниченного площадками чистого сдвига, квадрат превращается в ромб. d — абсолютный сдвиг,
g » — относительный сдвиг или угол сдвига.
Закон Гука при сдвиге: g = t/G или t = G×g .
G — модуль сдвига или модуль упругости второго рода [МПа] — постоянная материала, характеризующая способность сопротивляться деформациям при сдвиге. (Е — модуль упругости, m— коэффициент Пуассона).
Потенциальная энергия при сдвиге: .
Удельная потенциальная энергия деформации при сдвиге: ,
где V=а×F — объем элемента. Учитывая закон Гука, .
Вся потенциальная энергия при чистом сдвиге расходуется только на изменение формы, изменение объема при деформации сдвига равно нулю.
11. Определение напряжений при кручении круглых валов. Условие прочности.
Условие прочности при кручении с учетом принятых обозначений формулируется следующим образом: максимальные касательные напряжения, возникающие в опасном сечении вала, не должны превышать допускаемых напряженийи записывается в виде
где — берется либо на основании опытных данных, либо (при отсутствии нужных опытных характеристик) по теориям прочности, соответствующим материалу. Например, из теорий прочности для хрупких материалов, примененных для чистого сдвига, следуют такие результаты:
— из второй теории прочности
— из теории Мора
Из теорий прочности для пластичных материалов при чистом сдвиге получим:
— по третьей теории прочности
— по четвертой теории прочности
Как следует из закона парности касательных напряжений, одновременно с касательными напряжениями, действующими в плоскости поперечного сечения вала, имеют место касательные напряжения в продольных плоскостях. Они равны по величине парным напряжениям, но имеют противоположный знак. Таким образом, все элементы бруса при кручении находятся в состоянии чистого сдвига. Так как чистый сдвиг является частным случаем плоского напряженного состояния, при котором , то при повороте граней элемента на 450 в новых площадках обнаруживаются только нормальные напряжения, равные по величине (рис.5.8).
Рассмотрим возможные виды разрушения валов, изготовленных из различных материалов при кручении. Валы из пластичных материалов чаще всего разрушаются по сечению, перпендикулярному к оси вала, под действием касательных напряжений, действующих в этом сечении (рис.5.9,а). Валы из хрупких материалов, разрушаются по винтовой поверхности наклоненной к оси вала под углом 450, т.е. по направлению действия максимальных растягивающих напряжений (рис.5.9,б). У деревянных валов первые трещины возникают по образующим цилиндра, так как древесина плохо сопротивляется действию касательных напряжений, направленных вдоль волокон (рис.5.9,в).
Рис.5.8 Рис.5.9
Таким образом, характер разрушения зависит от способности материала вала сопротивляться воздействию нормальных и касательных напряжений. В соответствии с этим, допускаемые касательные напряжения принимаются равным — для хрупких материалов и — для пластичных материалов.
12. Определение угла закручивания круглых валов. Условие жесткости.
При определении величины крутящего момента используется метод сечений. Суть его заключается в следующем: рассекаем вал сечением и отбрасываем одну из частей вала, расположенную либо справа, либо слева от сечения.
Обычно отбрасывают ту часть, к которой приложено больше скручивающих пар. Действие отброшенной части на рассматриваемую заменяют внутренним силовым фактором – крутящим моментом T. Затем из условий равновесия остановленной части вала определяют крутящий момент:
T = Мк= Σ Мi . (5.1)
Таким образом, крутящий момент в каком-либо сечении вала является уравновешивающей парой сил всех внешних скручивающих пар, приложенных либо слева, либо справа от рассматриваемого сечения.
Рис. 5.1
Угол сдвига
Максимальное касательное напряжение
Деформации вала
Угол зак