2. Допускаемые напряжения. Подбор сечения.

Чтобы выяснить, какую величину напряжений мы можем считать допустимой при работе стержня из выбранного материала, необходимо опытным путём установить зависимость между прочностью стержня и возникающими в нём напряжениями. Для этого изготовим из данного материала образец (обычно круглого или прямоугольного поперечного сечения), заложим концы его в захваты машины, позволяющей осуществить растяжение стержня, и начнём постепенно увеличивать силы P. Образец будет растягиваться и, наконец, разорвётся.

Пусть наибольшей нагрузкой, которую выдержал образец до разрыва, будет Р_в. Величина нормальных напряжений, вызванных этой нагрузкой, равная

называется пределом прочности или временным сопротивлением испытываемого материала на растяжение. Она выражается обычно в кг/мм² или кг/см².

Как было указано ранее, в стержнях конструкции приходится допускать при работе на растяжение нормальные напряжения [σ], в несколько раз меньшие, чем предел прочности σ_в, допускаемое напряжение получается делением предела прочности σ_в на коэффициент запаса прочности k. Величина этого коэффициента определяется целым рядом соображений, которые подробно будут изложены дальше. Во всяком случае она должна быть такова, чтобы при нормальной работе стержня не только не произошло разрыва, но чтобы не образовалось и остающихся деформаций, могущих изменить схему сооружения или машины. Коэффициент запаса меняется в зависимости от характера применяемого материала, способа действия сил на элемент, экономических условий и ряда других факторов.

Ввиду важности правильного выбора коэффициента запаса прочности и величины допускаемых напряжений эти величины для многих конструкций даются нормами, обязательными для составителей проектов и расчётов. Таким образом, величины допускаемых напряжений [σ] дли каждого случая можно считать известными. Тогда для определения необходимой величины площади поперечного сечения растянутого стержня можно, пользуясь формулой (1), написать условие прочности; это условие должно выразить, что действительное напряжение о в растянутом стержне при действии сил Р не должно превосходить допускаемого напряжения [σ]:

. (2)

Из этого условия определяется наименьшая необходимая площадь стержня:

. (3)

Пользуясь формулой (3), мы можем производить подбор сечения стержня.

Иногда площадь поперечного сечения является заданной. Тогда, решая формулу (3) относительно Р, мы производим определение допускаемой силы

. (4)

Возвращаясь к расчёту стержня вагонной стяжки (рис. 2), мы должны установить материал, идущего для изготовления этой детали, и допускаемое напряжение. Стержень стяжки делается из стали с пределом прочности около 500 н/мм². Такой выбор материала определяется тем, что винт стяжки должен быть не очень тяжёлым, — это требует материала повышенной прочности; с другой стороны, в этом направлении нельзя идти слишком далеко, чтобы материал винта мог хорошо сопротивляться ударам и толчкам. Если применить сталь со слишком высоким пределом прочности, она окажется хрупкой.

Винт стяжки не только не должен давать обрыва, но в нём не должно быть даже незначительных остаточных деформаций, чтобы не произошло заедания в нарезке. Предел упругости для выбранного материала составляет примерно 0,60 от предела прочности σ_в. Как мы увидим дальше, при внезапном приложении сил (трогание с места) напряжения увеличиваются примерно вдвое по сравнению со спокойным, статическим растяжением, при котором определяют механические характеристики материала в лаборатории. Поэтому величина допускаемых напряжений не должна превышать

0,5·0,60·σ_в =0,30·σ_в.

Это даёт коэффициент запаса прочности k=1/0,3≈3,3

Таким образом, в данном случае допускаемое напряжение может быть принято равным

[σ] = σ_в/k = 0,3 σ_в = 500·0,3 = 150 н/мм² = 15000 н/см²/

Необходимая площадь при Р=250000 н равна

F≥P/[σ]=250000/15000 = 16,7 см².

Диаметр d стержня стяжки определяется условием

πd²/4=F≥16,7

Откуда

.

Полученный диаметр определён по дну нарезки для наименьшей площади поперечного сечения. В тех случаях, когда площадь отдельных сечений стержня меньше других, например из-за наличия отверстий для болтов или заклёпок, наличия канавок (прорезки), определяется эта наименьшая площадь сечения, называемая площадью нетто и обозначаемая F_нетто или F_н. Площадь поперечных сечений, не имеющих ослаблений, называется площадью брутто и обозначается F_брутто или F_бр. Определив посредством расчета сечение F_н, размеры F_бр получаем уже из конструктивных соображений.

Выведенные выше формулы относились к случаю растяжения стержня. Без всяких изменений они могут быть применены и к тому случаю, когда мы встречаемся с деформацией сжатия. Разница будет лишь в направлении нормальных напряжений и в величине допускаемого напряжения [σ]; при сжатии стержней явление осложняется тем, что такие стержни могут оказаться неустойчивыми, — они могут внезапно искривиться. Тогда необходимо проверить данный стержень расчетами на устойчивость, о которых мы будем говорить отдельно.

На рис. 5 изображено распределение нормальных напряжений, действующих по сечению, перпендикулярному к оси стержня, для случая растяжения и сжатия. Для ряда материалов (сталь) величина допускаемого напряжения может быть принята одинаковой как при растяжении, так и при сжатии (коротких стержней, т. е. таких, у которых длина превышает размеры поперечного сечения не более чем в 5 раз). В других случаях (чугун) приходится назначать различные величины допускаемых напряжений для растяжения и сжатия в зависимости от величины предела прочности при этих деформациях.

Рис. 5

В ряде конструкций мы встречаемся со случаем передачи сжимающих напряжений от одного элемента другому через сравнительно небольшую площадь, по которой соприкасаются между собой эти элементы. Подобные напряжения называют обыкновенно напряжениями смятия или контактными напряжениями. Распределение напряжений около места соприкосновения весьма сложно и поддаётся определению лишь методами теории упругости. При обычных расчетах рассматривают в большинстве случаев эти напряжения просто как сжимающие и ограничиваются лишь назначением для них специального допускаемого напряжения.