11127

Теории прочности. Чистый сдвиг

Реферат

Математика и математический анализ

Теории прочности. Чистый сдвиг Теории прочности. Важнейшей задачей инженерного расчета является оценка прочности элемента конструкции по известному напряженному состоянию. Для простых видов деформаций в частности для одноосных напряженных состояний определение з...

Русский

2013-04-04

786 KB

75 чел.

Теории прочности. Чистый сдвиг


Теории прочности.

Важнейшей задачей инженерного расчета является оценка прочности элемента конструкции по известному напряженному состоянию. Для простых видов деформаций, в частности для одноосных напряженных состояний, определение значений опасных напряжений не представляет особых трудностей. Вспомним, что под опасными напряжениями понимают напряжения, соответствующие началу разрушения (при хрупком состоянии материала) или появлению остаточных деформаций (в случае пластического состояния материала):

или

По опасным напряжениям устанавливают допускаемые напряжения, обеспечивающие определенный запас против наступления предельного состояния.

При сложном напряженном состоянии, как показывают опыты, опасное состояние может иметь место при различных значениях главных напряжений , ,  в зависимости от соотношений между ними. В этом случае вводят гипотезу о преимущественном влиянии на прочность материала того или иного фактора. Предельное значение фактора, определяющего прочность, находят на основании простых опытов (на растяжение, сжатие, кручение).

Выбранная указанным образом гипотеза называется механической теорией прочности.

Рассмотрим классические теории прочности.

Первая теория прочности (критерий наибольших нормальных напряжений).

Согласно этой теории, преимущественное влияние на прочность оказывает величина наибольшего нормального напряжения.

Критерий наибольших нормальных напряжений из трех главных напряжений учитывает только одно – наибольшее, полагая, что два других не влияют на прочность.

Условие прочности согласно первой теории прочности следующее:

или , (4.1)

где  - допускаемое напряжение при растяжении,  - допускаемое напряжение при сжатии.

Данная теория дает удовлетворительные результаты лишь для весьма хрупких материалов (камень, керамика, инструментальные стали и т. п.).

Вторая теория прочности (критерий наибольших линейных деформаций).

Данная теория предполагает, что нарушение прочности в общем случае напряженного состояния наступает тогда, когда наибольшая линейная деформация  достигает своего максимального значения.

Условие прочности согласно второй теории прочности принимает следующий вид:

,

или

(4.2)

Опытная проверка этой теории указывает на удовлетворительные результаты лишь для хрупкого состояния материала (легированный чугун, высокопрочные стали после низкого отпуска).

Третья теория прочности (критерий наибольших касательных напряжений).

Согласно этой теории предполагается, что предельное состояние в общем случае наступает тогда, когда наибольшее касательное напряжение  достигает опасного значения

Условие прочности согласно третьей теории прочности принимает следующий вид:                                          

Третья теория прочности хорошо подтверждается опытами для материалов, одинаково работающих на растяжение и на сжатие.

Четвертая теория прочности (критерий удельной потенциальной энергии формоизменения).

Согласно этой теории, опасное состояние (текучесть) в общем случае наступает тогда, когда удельная потенциальная энергия формоизменения достигает своего предельного значения.

Условие прочности согласно четвертой теории прочности принимает следующий вид:                               

(4.4)

Опыты хорошо подтверждают четвертую теорию прочности для пластичных материалов, одинаково работающих на растяжение и на сжатие.

Сдвиг

Если на брус действуют две равные силы , весьма близко расположенные друг к другу, перпендикулярные к оси бруса и направленные в противоположные стороны, как это бывает при разрезании прутков ножницами (рис. 4.1, а), то при достаточной величине сил происходит срез.

Рис. .

Левая часть тела отделяется от правой по некоторому сечению . Деформация, предшествующая срезу, которая заключается в перекашивании прямых углов элементарного параллелепипеда, называется сдвигом. На рис. 4.1, б показан сдвиг, происходящий в параллелепипеде до среза; прямоугольник  превращается в параллелограмм . Величина , на которую сечение  сдвинулось относительно соседнего сечения , называется абсолютным сдвигом. Угол , на который изменяются прямые углы параллелепипеда, называется относительным сдвигом.

С учетом малости деформаций угол  можно определить следующим образом:

(4.5)

Очевидно, что в сечении  из шести внутренних силовых факторов будет возникать только поперечная сила , равная силе

(4.6)

Принимая, что касательные напряжения равномерно распределены по площади поперечного сечения , их значения можно определить по формуле

(4.7)

Допущение о равномерности распределения касательных напряжений по сечению весьма условно. Однако это допущение во многих случаях себя оправдывает и поэтому в инженерной практике им широко пользуются при расчете болтов, заклепочных соединений, шпонок, сварных соединений и других деталей.

При расчете ряда элементов конструкций встречается частный случай плоского напряженного состояния, когда на четырех гранях прямоугольного элемента действуют только касательные напряжения (рис 4.2). Такое напряженное состояние называется чистым сдвигом.

Воспользуемся построением круга напряжений для определения величины и направления главных напряжений.

Рис. .

Поскольку в данном случае

, а ,

находим, что главные площадки в данном случае наклонены к граням элемента под углом 45°, а главные напряжения равны

; ; . (4.8)

Проверим прочность элемента, испытывающего деформацию чистого сдвига.

Условие прочности составим по второй, третьей и четвертой теориям прочности:

а) по второй теории:

Подставляя значения главных напряжений, находим

(4.9)

Правая часть выражения представляет собой допускаемое напряжение при чистом сдвиге:

(4.10)

Для металлов . Следовательно, по второй теории прочности

; (4.11)

б) по третьей теории:

Подставляя значения главных напряжений, находим

. (4.12)

Т.е допускаемое напряжение при сдвиге по третьей теории

. (4.13)

б) по четвертой теории:

Подставляя значения главных напряжений, находим

. (4.14)

Следовательно, по четвертой теории прочности

(4.15)

Полученные величины допускаемых напряжений применяют также при расчетах на прочность деталей, испытывающих деформацию среза. Для пластичных материалов наиболее подходит формула (4.15). Например, для стали марки Ст3 допускаемое напряжение на растяжение и сжатие МПа. Тогда

.

Условие прочности на сдвиг (срез) может быть записано в обычном виде:

. (4.16)

В качестве примера рассмотрим расчет болтового соединения, приведенного на рис. 4.3.

Рис. .

Силы  стремятся сдвинуть листы относительно друг друга. Этому препятствует болт, на который со стороны каждого листа передаются распределенные по контактной поверхности силы, равнодействующие которых равны . Усилия стремятся срезать болт в плоскости раздела листов , так как в этом сечении действует максимальная поперечная сила . Считая, что касательные напряжения распределены равномерно, получим

(4.17)

Таким образом, условие прочности болта на срез принимает вид

(4.18)

Отсюда можно найти диаметр болта:

(4.19)

При расчете болтовых, заклепочных и других соединений следует учитывать, что нагрузки, приложенные к элементам соединений, помимо среза вызывают смятие контактирующих поверхностей. Под смятием понимают пластическую деформацию, возникающую на поверхностях контакта

Максимальное напряжение смятия на цилиндрических поверхностях

,

где  представляет собой площадь проекции поверхности контакта на диаметральную плоскость (рис.4.3)

(4.20)

Условие прочности на смятие имеет вид:

(4.21)

Допускаемые напряжения на смятие устанавливают опытным путем и принимают равным .

На основании зависимости (4.21) получим

(4.22)

Чтобы были удовлетворены условия прочности на срез и на смятие, из двух найденных диаметров следует взять больший, округлив его до стандартного значения.

На срез принято рассчитывать и некоторые сварные соединения.

Рис. .

Если не учитывать наплывы, то в разрезе угловой шов имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника (рис. 4.4, а). Разрушение шва будет происходить по его минимальному сечению (рис. 4.4, б), высота которого

Для нахлесточного соединения в расчет вводят оба шва. Запишем условие прочности шва:

, (4.23)

где  - расчетная длина торцевого шва;

- допускаемое напряжение для сварных соединений.

Поскольку в начале и в конце шва из-за непровара качество ухудшается, действительную его длину увеличивают по сравнению с расчетной на 10 см. ,

где  - действительная длина шва (на рис. 4.4, б )

Закон Гука при сдвиге.

Для определения зависимости между нагрузкой и деформацией при сдвиге проводят испытания материала на кручение. При данном испытании строится диаграмма сдвига  (график зависимости между касательным напряжением и относительным сдвигом). Более подробное описание испытания на кручение образцов цилиндрической формы приведено в методических указаниях к лабораторным работам [1]

Для пластичных материалов диаграмма сдвига аналогична диаграмме растяжения (рис. 4.5).

Рис. .

При рассмотрении деформации образца в пределах упругости видна линейная зависимость между относительным сдвигом  и касательным напряжением.

(4.24)

где  - коэффициент пропорциональности, который называется модулем упругости при сдвиге или модулем упругости второго рода.

Зависимость (4.24) выражает закон Гука при сдвиге.

Между величинами модуля продольной упругости  и модуля упругости при сдвиге  для одного и того же материала существует зависимость

(4.25)

При значении коэффициента Пуассона  получим, что

Запишем выражение для перемещения одной грани относительно другой (абсолютного сдвига (рис. 4.1)) при чистом сдвиге. Обозначая площадь грани , равнодействующую сдвигающую силу  и расстояние между сдвигаемыми гранями  (рис. 4.1), получим

(4.26)

Формула (4.26) выражает закон Гука для абсолютного сдвига.

1 Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Опір матеріалів» перша частина.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20130. Сравнение различных методов отыскания коэффициентов 45.5 KB
  Существуют следующие методы отыскания коэффициентов влияния и конечных погрешностей: Методика академика Бруевича методика проф.Калашникова дифференциальный метод отыскания коэффициентов влияния метод преобразованной цепи метод фиктивной нагрузки метод планов малых перемещений геометрический метод метод относительных погрешностей метод плеча и линии действия. Метод рассмотрения первичных погрешностей механизма предложенная академиком Бруевичем позволяет строго определить возможное число первичных погрешностей каждого звена и...
20131. Понятие о векторной первичной погрешности 25.5 KB
  Векторные первичные погрешности ВПП погрешности характеризуемые некоторым направлением и некоторым числовым знем называемым модулем. ВПП могут возникнуть в плоскости движения механизма ПП эксцентриситета или плоского перекоса и не в плоскости движения ПП пространственного перекоса. ВПП образуются из ошибок в технических условиях на изготовление и сборку механизма. Эти погрешности: профиля элементов звеньев в высших парах; несоосность; радиальное и торцевое биение; Все ВПП можно свести к двум видам: 1.
20132. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 50 KB
  размера вала а по оси ординат плотность вероятности рассеяния этих погрешностей определяемые опытным путем. α и λ зависят только от вида закона распределения погрешностей Δq = α δ Δо σ[Δq] = λ δ На практике данные коэффиценты α и λ берутся из таблицы. Законы распределения технологических погрешностей.
20133. Способы уменьшения ожидаемой погрешности 23.5 KB
  Недостатки обоих способов : Невозможность воздя на систематическую составляющую суммарной погрешности. уменьшить в обоих случаях значение конечной погрешности.
20134. Основные понятия и определения теории надежности 26 KB
  К общим понятиям отнся: работоспть отказ наработка резервирование неисправность. Работоспть – это состояние изд. из работоспго состя в неработоспное. Безотказность – это свво изделия сохранять свою работоспть в течении заданного времени без вынужденных перерывов.
20135. Экономические показатели надежности 35 KB
  к длитти его эксплции. покль надежти Qи – стоимость изготя нового прибора Qэ – суммарные затраты на эксплцию и ремонт Тэ период целесообразной эксплции прибора. капиталовложений между сферой произва и сферой эксплции. Чем дешевле изделие тем больше затрат приходится на его эксплцию.
20136. Методика выбора основных показателей надежности 22.5 KB
  Выбор показателей надежности осуществляется исходя из характеристик изделия а также требований предъявляемых к изделию в процессе эксплуатации. Основными показателями надежности являются показатели полученные при оценке средней величины общего дохода изделия. Они характеризуют ожидаемый средний уровень надежности изделия и по ним осуществляют сравнение изделий по надежности. Они позволяют полнее охарактеризовать надежность изделия и определяют либо безотказность либо ремонтопригодность либо сохраняемость либо долговечность...
20137. Источники и причины отказов измерительных устройств 38.5 KB
  Силы кот. Механическая энергия может возникнуть как следствие затрат энергии кот. Воздух кот. Обратимые процессы –это часть процессов кот.
20138. Надежность, определяемая процессами, происходящими в элементах и узлах приборов 55 KB
  Такое деление соответствует трем явно выраженным периодам работы любого прибора или машины. Из кривой видно что в первый период – период приработки интенсивность отказов в начале высокая а затем быстро падает. Во второй период – период нормальной эксплуатации интенсивность отказов устанавливается на постоянном min уровне. В период износа – интенсивность отказа вновь возрастает.