22532

Понятие о напряжениях и деформациях

Лекция

Производство и промышленные технологии

а вектор полного напряжения б вектор нормального и касательного напряжений уменьшаются главный вектор и главный момент внутренних сил причем главный момент уменьшается в большей степени. Введенный таким образом вектор рn называется вектором напряжений в точке. Совокупность всех векторов напряжений в точке М для всевозможных направлений вектора п определяет напряженное состояние в этой точке. В общем случае направление вектора напряжений рn не совпадает с направлением вектора нормали п.

Русский

2013-08-04

80.5 KB

17 чел.

Сопротивление материалов Сагадеев В.В.

Лекция № 5. Понятие о напряжениях и деформациях

   Как отмечалось выше, внутренние силы, действующие в некотором сечении со стороны отброшенной части тела, можно привести к главному вектору и главному моменту. Зафиксируем точку М в рассматриваемом сечении с единичным вектором нормали n. В окрестности этой точки выделим малую площадку F. Главный вектор внутренних сил, действующих на этой площадке, обозначим через P (рис. 1 а). При уменьшении размеров площадки соответственно



Рис.1. Композиция вектора напряжения.
а) вектор полного напряжения б) вектор нормального и касательного напряжений

 

уменьшаются главный вектор и главный момент внутренних сил, причем главный момент уменьшается в большей степени. В пределе при получим

   Аналогичный предел для главного момента равен нулю. Введенный таким образом вектор рn называется вектором напряжений в точке. Этот вектор зависит не только от действующих на тело внешних сил и координат рассматриваемой точки, но и от ориентации в пространстве площадки F, характеризуемой вектором п. Совокупность всех векторов напряжений в точке М для всевозможных направлений вектора п определяет напряженное состояние в этой точке.

   В общем случае направление вектора напряжений рn не совпадает с направлением вектора нормали п. Проекция вектора рn на направление вектора п называется нормальным напряжением , а проекция на плоскость, проходящую через точку М и ортогональную вектору n, — касательным напряжением (рис. 1 б).

Размерность напряжений равна отношению размерности силы к размерности площади. В международной системе единиц СИ напряжения измеряются в паскалях: 1 Па=1 Н/м2.

   При действии внешних сил наряду с возникновением напряжений происходит изменение объема тела и его формы, т. е. тело деформируется. При этом различают начальное (недеформированное) и конечное (деформированное) состояния тела.

   Отнесем недеформированное тело к декартовой системе координат Oxyz (рис. 2). Положение некоторой точки М в этой системе координат определяется радиус-вектором r(х, у, z). В деформированном состоянии точка М займет новое положение М/ , характеризуемое радиус-вектором r' (х, у, z). Вектор u=r'—r называется вектором, перемещений точки М. Проекции вектора u на координатные оси определяют компоненты вектора перемещений и(х, у, z), v(х, у, z), w(х, у, z), равные разности декартовых координат точки тела после и до деформации.

   Перемещение, при котором взаимное расположение точек тела не меняется, не сопровождается деформациями. В этом случае говорят, что тело перемещается как жесткое целое (линейное перемещение в пространстве или поворот относительно некоторой точки). С другой стороны, деформация, связанная с изменением формы тела и его объема, невозможна без перемещения его точек.



Рис.2. Композиция вектора перемещения

 

   Деформации тела характеризуются изменением взаимного расположения точек тела до и после деформации. Рассмотрим, например, точку М и близкую к ней точку N, расстояние между которыми в недеформированном состоянии вдоль направления вектора s обозначим через (рис. 2). В деформированном состоянии точки М и N переместятся в новое положение (точки М' и N’), расстояние между которыми обозначим через s'. Предел отношения

называется относительной линейной деформацией в точке М в направлении вектора s, рис.3. Рассматривая три взаимно перпендикулярных направления, например, вдоль координатных осей Ох, Оу и Oz, получим три компоненты относительных линейных деформаций характеризующих изменение объема тела в процессе деформации.

Для описания деформаций, связанных с изменением формы тела, рассмотрим точку М и две близкие к ней точки N и Р, расположенные в недеформированном состоянии в направлении двух взаимно ортогональных векторов s1 и s2. Расстояния между точками обозначим через и (рис. 4). В деформированном состоянии положение точек обозначим через М', N' и Р'. Угол между отрезками M'N' и М'Р' в общем случае будет отличным от прямого. При , изменение угла между двумя ортогональными до деформации направлениями называется угловой деформацией. Как видно из рис. 4, угловая деформация складывается из двух углов и , связанных с поворотами отрезков M’N' и М'Р' 'в.плоскости, образованной векторами s1 и s2, относительно этих векторов. Если заданы три взаимно ортогональных вектора, направленных вдоль координатных осей, то имеются три угловые деформации , и , которые вместе с тремя линейными деформациями , и полностью определяют деформированное состояние в точке.



Рис.3. Композиция линейной деформации

 



Рис. 4. Композиция угловой деформации

 

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ТОЧКЕ. ТЕНЗОР НАПРЯЖЕНИЙ

   Вектор напряжений pn является физическим объектом, имеющим длину, направление и точку приложения. В этом смысле он обладает векторными свойствами. Однако этому объекту присущи некоторые свойства, не характерные для векторов. В частности, величина и направление вектора напряжений зависят от ориентации вектора n нормали бесконечно малого элемента поверхности dF. Совокупность всех возможных пар векторов п, рn в точке определяет напряженное состояние в данной точке. Однако для полного описания напряженного состояния в точке нет необходимости задавать бесконечное множество направлений вектора n, достаточно определить векторы напряжений на трех взаимно перпендикулярных элементарных площадках. Напряжения на произвольно ориентированных площадках могут быть выражены через эти три вектора напряжений. В дальнейшем лектор умышленно меняет ориентацию координат. Так, что ось Z – продольная ось бруса, а X и Y – координаты любой точки его поперечного сечения.

   Проведем через точку М три взаимно перпендикулярных плоскости с векторами нормалей, направления которых совпадают с направлениями координатных осей. Элементарные площадки образуем дополнительными сечениями, параллельными исходным плоскостям и отстоящими от них на бесконечно малые расстояния dx, dy, dz. В результате в окрестности точки М получим бесконечно малый параллелепипед, поверхность которого образована элементарными площадками dFх=dydz, dFн==dxdz, dFя=dxdy. Векторы напряжений px, py, pz, действующие на элементарных площадках, показаны на рис. 5.

   Разложим каждый вектор напряжений на составляющие вдоль координатных осей (рис. 6). На каждой площадке действует одно нормальное напряжение , , , где индекс обозначает направление вектора нормали к площадке и два касательных напряжения с двумя индексами, из которых первый указывает направление действия компоненты напряжения, второй—направление вектора нормали к площадке.



Рис. 5. Равновесное состояние бесконечно-малого параллелепипеда

 



Рис.6. Компоненты тензора напряженного состояния

 

   Совокупность девяти компонент напряжений (по три на каждой из трех взаимно перпендикулярных площадок) представляет собой некоторый физический объект, называемый тензором напряжений в точке. Тензор можно представить в виде матрицы, соответствующим образом упорядочив девять компонент:

   Для компонент тензора напряжений общепринятым является следующее правило знаков: компонента считается положительной, если на площадке с положительной внешней нормалью (т. е. направленной вдоль одной из координатных осей) эта компонента направлена в сторону положительного направления соответствующей оси. На рис. 6 все компоненты тензора напряжений изображены положительными. На площадках с отрицательной внешней нормалью (грани параллелепипеда, не видимые на рис. 5 и 6) положительная компонента направлена в противоположном направлении. Напряжения на трех взаимно ортогональных площадках с отрицательными направлениями нормалей также характеризуют напряженное состояние в точке. Эти напряжения, являющиеся компонентами тензора напряжений, определяются аналогично напряжениям на площадках с положительной нормалью. Они обозначаются теми же символами и имеют положительное направление, обратное изображенному на рис. 6.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10201. Психолого-педагогическое сопровождение застенчивых детей старшего дошкольного возраста в группе ДОУ 307.5 KB
  Застенчивые люди испытывают большие трудности в установлении межличностных контактов; пассивны в деятельности и жизнедеятельности в целом; чрезмерно озабочены оценкой себя другими людьми; более зависимы от других, ранимы, внушаемы, поддаются давлению со стороны окружения
10202. Организация циклов. Алгоритмическая структура циклов 50.5 KB
  Лабораторная работа № 3 Тема: Организация циклов Цель работы: освоить алгоритмическую структуру цикл а также работу команд в данной структуре. Образец решения задач. Задача № 1. Напишите программу печати таблицы перевода расстояний из километров в метры для значен
10203. Работа с простой переменной. Алгоритмы целочисленной арифметики 58 KB
  Лабораторная работа № 4 Тема: Работа с простой переменной. Алгоритмы целочисленной арифметики Цель работы: освоить работу с простой переменной и алгоритмами их обработки при решении задач целочисленной арифметики. Типовые алгоритмы обработки простой переменной Р
10204. Подпрограммы. Процедуры и функции 35 KB
  Лабораторная работа № 5 Тема: Подпрограммы. Процедуры и функции Цель работы: отработать навыки использования подпрограмм процедур и функций при написании программного кода. Образцы решения задачи. Задача № 1. Определить количество и сумму цифр в числе. Анализ по...
10205. РАЗВИТИЕ ВНИМАНИЯ СТАРШИХ ДОШКОЛЬНИКОВ В ИГРОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 527.5 KB
  В дошкольном возрасте эти изменения касаются всех видов и свойств внимания. В целом, ребенок становится более сосредоточенным, у него появляется способность распределять внимание между различными предметами и переключаться с одного сложного объекта на другой.
10206. Организация перевозок скоропортящихся грузов на направлении 1.91 MB
  В курсовой работе необходимо определить особенности и условия перевозок скоропортящихся грузов на направлении, рассчитать годовую потребность для погрузки, количество «холодных поездов», произвести теплотехнический расчет, разработать технологию обслуживания рефрижераторного подвижного состава, схему размещения пунктов экипировки и технологического обслуживания
10207. Использование модулей при написании программного кода 69.5 KB
  Лабораторная работа № 8 Тема: Модули Цель работы: отработать навыки использования модулей при написании программного кода. Образец решения задачи. Задача № 1. Вставьте в двумерный массив строку из нулей после строки с номером t. Анализ постановки задачи В задаче ...
10208. Разработка карты наладки для обработки деталей на токарном станке с ЧПУ 23 KB
  Лабораторная работа №1 Разработка карты наладки для обработки деталей на токарном станке с ЧПУ Контрольные вопросы: 1. Назначение технологической документации. 2. Виды и классификация технологической документации. 3. Назначение карты наладки. Задание. 1. ...
10209. Изучение пульта оператора токарного станка с ЧПУ 34 KB
  Лабораторная работа №2 Изучение пульта оператора токарного станка с ЧПУ Цель работы: Ознакомление с пультом системы ЧПУ и режимы работы данной системы. Задание Изучить пульт управления станком; система Электроника НЦ–31; изучить работу станка в различных ре