Файл: Учебное пособие по дисциплине Механика Модуль Прикладная механика.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 717
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
7.2.Изгиб с растяжением (сжатием)………………….……………………………….92
7.3.Внецентренное сжатие или растяжение………………….………………………93
Вопросы для самопроверки……………………………………………………………99
8.Прочность при переменных и циклически изменяющихся напряжениях…………………………………………………………………………….100
8.1.Усталость и выносливость материалов…………………….……………………100
8.2.Основные характеристики цикла и предел усталости……………….…………102
8.3.Расчет коэффициентов запаса усталостной прочности………………….……...104
Библиографический список………………………………………………..………152
АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫМЕХАНИКА. МОДУЛЬ ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА
1.9. Общие принципы расчета конструкции
3. Осевое растяжение – сжатие.
4. Геометрические характеристики плоских сечений
5.1. Основные понятия. Крутящий момент
Условие прочности при кручении вала круглого и кольцевого сечения
7.1.Расчет балки, подверженной косому или пространственному изгибу
7.2. Изгиб с растяжением (сжатием)
8. Прочность при переменных и циклически изменяющихся напряжениях
в).
Рис. 3.7
Высказанное предположение о равномерном распределении нормальных напряжений в поперечном сечении справедливо для участков, достаточно удаленных от мест: резкого изменения площади поперечного сечения (рис. 3.7, в); скачкообразного изменения внешних нагрузок; скачкообразного изменения физико-механических характеристик конструкций.
Нормальные напряжения при сжатии определяют так же, как и при растяжении, но считают отрицательными.
Следует помнить, что длинные (тонкие) стержни, нагруженные сжимающими силами, могут потерять устойчивость. Расчет стержней на устойчивость рассмотрен в разделе «Устойчивость».
В инженерных сооружениях встречаются растянутые или сжатые элементы, имеющие отверстия. В сечениях с отверстием определяют осредненные нормальные напряжения по формуле
где площадь поперечного сечения нетто; A - площадь поперечного сечения брутто; - площадь его ослабления.
Деформации и перемещения. Закон Гука
Рассмотрим однородный стержень с одним концом, жестко заделанным, и другим - свободным, к которому приложена центральная продольная сила Р (рис. 3.8). До нагружения стержня его длина равнялась l - после нагружения она стала равной (рис. 2.8). Величину называют абсолютной продольной деформацией (абсолютным удлинением) стержня. В большинстве случаев оно мало по сравнению с его первоначальной длиной l (∆l<<l).
Рис. 3.8
Если в нагруженном стержне напряженное состояние является однородным, т.е. все участки стержня находятся в одинаковых условиях, деформация остается одной и той же по длине стержня и равной
Величина ε называется относительной продольной деформацией.
Если же по длине стержня возникает неоднородное напряженное состояние, то для определения его абсолютного удлинения необходимо рассмотреть бесконечно малый элемент длиной
dz (рис. 3.8). При растяжении он увеличит свою длину на величину и его деформация составит:
В пределах малых деформаций при простом растяжении или сжатии закон Гука записывается в следующем виде (нормальные напряжения в поперечном сечении прямо пропорциональны относительной линейной деформации ):
Величина Е представляет собой коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости материала первого рода (модуль продольной упругости). Его величина постоянна для каждого материала. Он характеризует жесткость материала, т.е. способность сопротивляться деформированию под действием внешней нагрузки.
Из совместного рассмотрения уравнений (2.5) и (2.6) получим:
откуда с учетом того, что
окончательно получим:
Если стержень изготовлен из однородного изотропного материала с Е = const, имеет постоянное поперечное сечение A= const и нагружен по концам силой Р, то из (2.7) получим
Зависимость (2.8) также выражает закон Гука. Знаменатель EA называется жесткостью при растяжении - сжатии или продольной жесткостью.
При решении многих практических задач возникает необходимость, наряду с удлинениями, обусловленными действием механических нагрузок, учитывать также удлинения, вызванные температурным воздействием. В этом случае пользуются принципом независимости действия сил, и полные деформации рассматривают как сумму силовой и температурной деформаций:
где коэффициент температурного расширения материала; t перепад температуры тела. Для однородного стержня, нагруженного по концам продольными силами Р и равномерно нагретого по длине, получим:
Потенциальная энергия деформации
Внешние силы, приложенные к упругому телу и вызывающие изменение геометрии тела, совершают работу
W на соответствующих перемещениях. Одновременно с этим в упругом теле накапливается потенциальная энергия его деформирования U. При действии динамических внешних нагрузок часть работы внешних сил превращается в кинетическую энергию движения частиц тела К. Приняв энергетическое состояние системы до момента действия данных сил равным нулю, и в условиях отсутствия рассеивания энергии, уравнение баланса энергии можно записать в следующем виде:
W = U + K. (2.11)
При действии статических нагрузок К = 0, следовательно,
W = U. (2.12)
Это означает, что при статическом нагружении работа внешних сил полностью преобразуется в потенциальную энергию деформации. При разгрузке тела производится работа за счет потенциальной энергии деформации, накопленной телом. Таким образом, упругое тело является аккумулятором энергии. Это свойство упругого тела широко используется в технике, например, в заводных пружинах часовых механизмов, в амортизирующих рессорах и др. В случае простого растяжения (сжатия) для вывода необходимых расчетных зависимостей потенциальной энергии деформации рассмотрим решение следующей задачи.
На рис. 3.9, а изображен растягиваемый силой Р стержень, удлинение которого соответствует отрезку , ниже показан график изменения величины удлинения стержня в зависимости от силы Р (рис. 3.9, б). В соответствии с законом Гука этот график носит линейный характер.
Пусть некоторому значению силы Р соответствует удлинение стержня . Дадим некоторое приращение силе соответствующее приращение удлинения составит . Тогда элементарная работа на этом приращении удлинения составит:
Рис. 3.9
вторым слагаемым, в силу его малости, можно пренебречь, и тогда
Полная работа равна сумме элементарных работ, тогда, при линейной зависимости “нагрузка перемещение”, работа внешней силы Р на перемещении будет равна площади треугольника ОСВ (рис. 3.9), т.е.
В свою очередь, когда напряжения и деформации распределены по объему тела V равномерно (как в рассматриваемом случае) потенциальную энергию деформирования стержня можно записать в виде:
Поскольку, в данном случае имеем, что
, то
т.е. подтверждена справедливость (2.12).
С учетом (2.8) для однородного стержня с постоянным поперечным сечением и при Р = const из (2.17) получим:
Единицей измерения потенциальной энергии деформации является 1Hм = 1Дж.
3.3. Расчеты на прочность и жесткость при растяжении-сжатии.
Основной задачей расчета конструкции является обеспечение ее безопасной эксплуатации. Важнейшим условием, обеспечивающим безопасную эксплуатацию конструкции, является условие прочности. Существуют различные методы обеспечения прочности конструкций. Мы чаще всего будем пользоваться одним из этих методов – расчетом по допускаемым напряжениям. Согласно этому методу для конструкций, работающих на растяжение-сжатие, условие прочности, составленное для опасного сечения, можно записать в таком виде:
где – максимальное напряжение в конструкции; – характеристика материала, называемая допускаемым напряжением.
Допускаемое напряжение находится по формуле
где – предельное напряжение, при достижении которого в стержне наступает предельное состояние материала: появляются пластические деформации, если материал стержня – пластичный, или происходит разрушение, если стержень выполнен из хрупкого материала; n – нормируемый коэффициент запаса прочности.
Кроме формулы (2.26), возможен второй вариант условия прочности
называется действительным коэффициентом запаса прочности, показывающим во сколько раз надо увеличить максимальное напряжение в стержне, чтобы материал стержня оказался в опасном (предельном) состоянии.
Условие прочности в зависимости от цели поставленной задачи позволяет выполнять расчеты на прочность двух видов: проектный и проверочный. Для спроектированного стержня можно также определять допускаемую нагрузку.
Проектный расчет выполняют с целью определения размеров поперечных сечений элемента конструкции при известных рабочих нагрузках и материале (допускаемых напряжений). Площадь поперечного сечения определяют из выражения
Форма сечения стержня не влияет на его прочность при растяжении (сжатии). Форму сечения стержня необходимо знать только для определения размеров сечения при известном значении площади.
Зная площадь сечения и его форму, находят размеры сечения.
Проверочный расчет выполняют для спроектированной конструкции с целью проверки ее прочности. При проверочном расчете должны быть известны площадь опасного сечения, нагрузка и материал (допускаемое напряжение). Проверочный расчет выполняют по формуле (2.26).
Определение допускаемой нагрузки для спроектированного элемента конструкции, размеры поперечного сечения которого и материал (допускаемые напряжения) известны. Условие прочности в этом случае записывают в виде
Зная значение , определяют допускаемую нагрузку .
Так как допускаемые напряжения не имеют точного значения, а выбираются приближенно, то при проверочном расчете максимальные рабочие напряжения могут превышать допускаемые на 5%. По этой же причине можно округлять полученные в расчетах значения площади опасного поперечного сечения или допускаемой нагрузки так, чтобы максимальные напряжения отличались от допускаемых не более чем на 5%. По этой же причине можно округлять полученные в расчетах значения площади опасного поперечного сечения или допускаемой нагрузки та, чтобы максимальные напряжения отличались от допускаемых не более чем на 5%.
Рис. 3.7
Высказанное предположение о равномерном распределении нормальных напряжений в поперечном сечении справедливо для участков, достаточно удаленных от мест: резкого изменения площади поперечного сечения (рис. 3.7, в); скачкообразного изменения внешних нагрузок; скачкообразного изменения физико-механических характеристик конструкций.
Нормальные напряжения при сжатии определяют так же, как и при растяжении, но считают отрицательными.
Следует помнить, что длинные (тонкие) стержни, нагруженные сжимающими силами, могут потерять устойчивость. Расчет стержней на устойчивость рассмотрен в разделе «Устойчивость».
В инженерных сооружениях встречаются растянутые или сжатые элементы, имеющие отверстия. В сечениях с отверстием определяют осредненные нормальные напряжения по формуле
где площадь поперечного сечения нетто; A - площадь поперечного сечения брутто; - площадь его ослабления.
Деформации и перемещения. Закон Гука
Рассмотрим однородный стержень с одним концом, жестко заделанным, и другим - свободным, к которому приложена центральная продольная сила Р (рис. 3.8). До нагружения стержня его длина равнялась l - после нагружения она стала равной (рис. 2.8). Величину называют абсолютной продольной деформацией (абсолютным удлинением) стержня. В большинстве случаев оно мало по сравнению с его первоначальной длиной l (∆l<<l).
Рис. 3.8
Если в нагруженном стержне напряженное состояние является однородным, т.е. все участки стержня находятся в одинаковых условиях, деформация остается одной и той же по длине стержня и равной
Величина ε называется относительной продольной деформацией.
Если же по длине стержня возникает неоднородное напряженное состояние, то для определения его абсолютного удлинения необходимо рассмотреть бесконечно малый элемент длиной
dz (рис. 3.8). При растяжении он увеличит свою длину на величину и его деформация составит:
В пределах малых деформаций при простом растяжении или сжатии закон Гука записывается в следующем виде (нормальные напряжения в поперечном сечении прямо пропорциональны относительной линейной деформации ):
Величина Е представляет собой коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости материала первого рода (модуль продольной упругости). Его величина постоянна для каждого материала. Он характеризует жесткость материала, т.е. способность сопротивляться деформированию под действием внешней нагрузки.
Из совместного рассмотрения уравнений (2.5) и (2.6) получим:
откуда с учетом того, что
окончательно получим:
Если стержень изготовлен из однородного изотропного материала с Е = const, имеет постоянное поперечное сечение A= const и нагружен по концам силой Р, то из (2.7) получим
Зависимость (2.8) также выражает закон Гука. Знаменатель EA называется жесткостью при растяжении - сжатии или продольной жесткостью.
При решении многих практических задач возникает необходимость, наряду с удлинениями, обусловленными действием механических нагрузок, учитывать также удлинения, вызванные температурным воздействием. В этом случае пользуются принципом независимости действия сил, и полные деформации рассматривают как сумму силовой и температурной деформаций:
где коэффициент температурного расширения материала; t перепад температуры тела. Для однородного стержня, нагруженного по концам продольными силами Р и равномерно нагретого по длине, получим:
Потенциальная энергия деформации
Внешние силы, приложенные к упругому телу и вызывающие изменение геометрии тела, совершают работу
W на соответствующих перемещениях. Одновременно с этим в упругом теле накапливается потенциальная энергия его деформирования U. При действии динамических внешних нагрузок часть работы внешних сил превращается в кинетическую энергию движения частиц тела К. Приняв энергетическое состояние системы до момента действия данных сил равным нулю, и в условиях отсутствия рассеивания энергии, уравнение баланса энергии можно записать в следующем виде:
W = U + K. (2.11)
При действии статических нагрузок К = 0, следовательно,
W = U. (2.12)
Это означает, что при статическом нагружении работа внешних сил полностью преобразуется в потенциальную энергию деформации. При разгрузке тела производится работа за счет потенциальной энергии деформации, накопленной телом. Таким образом, упругое тело является аккумулятором энергии. Это свойство упругого тела широко используется в технике, например, в заводных пружинах часовых механизмов, в амортизирующих рессорах и др. В случае простого растяжения (сжатия) для вывода необходимых расчетных зависимостей потенциальной энергии деформации рассмотрим решение следующей задачи.
На рис. 3.9, а изображен растягиваемый силой Р стержень, удлинение которого соответствует отрезку , ниже показан график изменения величины удлинения стержня в зависимости от силы Р (рис. 3.9, б). В соответствии с законом Гука этот график носит линейный характер.
Пусть некоторому значению силы Р соответствует удлинение стержня . Дадим некоторое приращение силе соответствующее приращение удлинения составит . Тогда элементарная работа на этом приращении удлинения составит:
Рис. 3.9
вторым слагаемым, в силу его малости, можно пренебречь, и тогда
Полная работа равна сумме элементарных работ, тогда, при линейной зависимости “нагрузка перемещение”, работа внешней силы Р на перемещении будет равна площади треугольника ОСВ (рис. 3.9), т.е.
В свою очередь, когда напряжения и деформации распределены по объему тела V равномерно (как в рассматриваемом случае) потенциальную энергию деформирования стержня можно записать в виде:
Поскольку, в данном случае имеем, что
, то т.е. подтверждена справедливость (2.12).
С учетом (2.8) для однородного стержня с постоянным поперечным сечением и при Р = const из (2.17) получим:
Единицей измерения потенциальной энергии деформации является 1Hм = 1Дж.
3.3. Расчеты на прочность и жесткость при растяжении-сжатии.
Основной задачей расчета конструкции является обеспечение ее безопасной эксплуатации. Важнейшим условием, обеспечивающим безопасную эксплуатацию конструкции, является условие прочности. Существуют различные методы обеспечения прочности конструкций. Мы чаще всего будем пользоваться одним из этих методов – расчетом по допускаемым напряжениям. Согласно этому методу для конструкций, работающих на растяжение-сжатие, условие прочности, составленное для опасного сечения, можно записать в таком виде:
где – максимальное напряжение в конструкции; – характеристика материала, называемая допускаемым напряжением.
Допускаемое напряжение находится по формуле
где – предельное напряжение, при достижении которого в стержне наступает предельное состояние материала: появляются пластические деформации, если материал стержня – пластичный, или происходит разрушение, если стержень выполнен из хрупкого материала; n – нормируемый коэффициент запаса прочности.
Кроме формулы (2.26), возможен второй вариант условия прочности
называется действительным коэффициентом запаса прочности, показывающим во сколько раз надо увеличить максимальное напряжение в стержне, чтобы материал стержня оказался в опасном (предельном) состоянии.
Условие прочности в зависимости от цели поставленной задачи позволяет выполнять расчеты на прочность двух видов: проектный и проверочный. Для спроектированного стержня можно также определять допускаемую нагрузку.
Проектный расчет выполняют с целью определения размеров поперечных сечений элемента конструкции при известных рабочих нагрузках и материале (допускаемых напряжений). Площадь поперечного сечения определяют из выражения
Форма сечения стержня не влияет на его прочность при растяжении (сжатии). Форму сечения стержня необходимо знать только для определения размеров сечения при известном значении площади.
Зная площадь сечения и его форму, находят размеры сечения.
Проверочный расчет выполняют для спроектированной конструкции с целью проверки ее прочности. При проверочном расчете должны быть известны площадь опасного сечения, нагрузка и материал (допускаемое напряжение). Проверочный расчет выполняют по формуле (2.26).
Определение допускаемой нагрузки для спроектированного элемента конструкции, размеры поперечного сечения которого и материал (допускаемые напряжения) известны. Условие прочности в этом случае записывают в виде
Зная значение , определяют допускаемую нагрузку .
Так как допускаемые напряжения не имеют точного значения, а выбираются приближенно, то при проверочном расчете максимальные рабочие напряжения могут превышать допускаемые на 5%. По этой же причине можно округлять полученные в расчетах значения площади опасного поперечного сечения или допускаемой нагрузки так, чтобы максимальные напряжения отличались от допускаемых не более чем на 5%. По этой же причине можно округлять полученные в расчетах значения площади опасного поперечного сечения или допускаемой нагрузки та, чтобы максимальные напряжения отличались от допускаемых не более чем на 5%.