Конструктивные элементы механизмов
Машины и механизмы, с которыми приходится иметь дело на практике, часто представляют собой сложные конструкции, отдельные элементы которых можно свести к следующим простейшим типам.
Рис. 3.2. Простейшие типы элементов конструкций:
а, б – брусья; в – оболочки
Брусья — элементы конструкций, у которых один размер (длина) значительно больше других (рис. 3.2, а). Основными геометрическими характеристиками бруса являются его ось и поперечное сечение. Ось бруса — линия, соединяющая центры тяжести всех его поперечных сечений. В зависимости от формы оси брусья могут быть либо прямолинейными (рис. 3.2, а), либо криволинейными (рис. 3.2, б). Брус с прямолинейной осью часто называют стержнем.
Оболочки — тела, ограниченные криволинейными поверхностями, расположенными на близком расстоянии друг от друга. У этих элементов конструкции один размер значительно меньше двух других (рис. 3.2, в). Плоские оболочки называют плитами или пластинами.
В сопротивлении материалов рассматривают преимущественно тела, имеющие форму брусьев постоянного сечения, и простейшие системы, состоящие из них. При этом имеются в виду брусья, обладающие достаточной жесткостью, т. е. не претерпевающие значительных деформаций при нагрузке. В расчетных схемах брусья обычно изображают одной осевой линией с идеализированными опорами.
Классификация сил, действующих на элементы конструкции
При работе сооружений и машин их части воспринимают внешние нагрузки и действие их передают друг другу. Например, стальные фермы моста воспринимают от колес через рельсы вес поезда и передают его на каменные опоры; последние, в свою очередь, передают нагрузку на грунт основания.
Силы, воспринимаемые элементами конструкции, представляют собой либо объемные силы, действующие на каждый элемент объема (собственный вес), либо силы взаимодействия между рассматриваемым элементом и соседними или этим элементом и прилегающей к нему средой (вода, пар, воздух). Говоря, что к той или другой части конструкции приложена внешняя сила, мы будем понимать под этим термином передачу давления (движения) на рассматриваемую часть от окружающей ее среды или от соседних частей конструкции.
Нагрузки, действующие на тело при взаимодействии его с другими телами, называются внешними силами.
В сопротивлении материалов активные внешние силы, действующие на рассматриваемое тело (элемент конструкции), часто называют нагрузками.
Классификацию сил можно произвести по нескольким признакам.
По способу приложения нагрузки подразделяют на сосредоточенные и распределенные.
Сосредоточенными силами называются давления, передающиеся на элемент конструкции через площадку, размеры которой очень малы по сравнению с размерами всего элемента, например, давление колес подвижного состава на рельсы.
При расчетах благодаря малости площадки, передающей давление, обычно считают сосредоточенную силу приложенной в точке. Нужно понимать, что это приближенное представление, вводимое лишь для упрощения расчета; через точку никакого давления передать нельзя.
К сосредоточенным относят силы, которые передаются на элемент конструкции через площадку небольших размеров (по сравнению с размерами всего элемента). При расчетах сосредоточенную силу считают приложенной в точке. Характеристикой сосредоточенной силы является ее модуль P.
Распределенными нагрузками называются силы, приложенные непрерывно на протяжении некоторой длины или площади конструкции. Слой песка одинаковой толщины, насыпанный на тротуар моста, представляет собой нагрузку, равномерно распределенную по некоторой площади; при неодинаковой толщине слоя мы получим неравномерно распределенную сплошную нагрузку. Собственный вес балки какого–либо перекрытия представляет собой нагрузку, распределенную по длине элемента.
К распределенным относятся нагрузки, приложенные непрерывно на некоторой длине или площади. Характеристикой распределенной нагрузки является ее интенсивность q, т.е. величина нагрузки, которая приходится на единицу площади или длины.
Нагрузки могут быть распределены не только по поверхности, но и по объему (силы веса, силы инерции, магнитные силы и др.)
Распределенные по длине элемента конструкции нагрузки, как и сосредоточенные силы, реально в природе не существуют, а получаются в результате схематизации действительных нагрузок. В ряде случаев такая схематизация приводит к появлению пар сил (моментов).
По характеру воздействия на элементы конструкции нагрузки подразделяют на статические и динамические.
Статическими называют нагрузки, которые прикладываются к телу, постепенно возрастая от нуля до своей конечной величины и оставаясь в дальнейшем практически постоянными. При действии таких нагрузок колебания конструкции и ее частей незначительны.
Динамическими называют нагрузки, которые сопровождаются значительными ускорениями как деформированного тела (или его частей), так и взаимодействующих с ним тел. Возникающими при этом силами инерции пренебречь нельзя. Динамические нагрузки делятся на мгновенно приложенные, ударные и повторно-переменные.
Мгновенно приложенные нагрузки передаются на сооружение сразу полной своей величиной. (Давление колес паровоза, входящего на мост.)
Ударные нагрузки возникают при быстром изменении скорости соприкасающихся элементов конструкции (При ударе бабы (свайного молота) копра о сваю при ее забивке).
Повторно–переменные нагрузки действуют на элементы конструкции, повторяясь значительное число раз.
Во многих случаях нагрузка представляет собой комбинацию нескольких видов динамических воздействий.
Заканчивая классификацию сил, действующих на элемент конструкции, можно выделить воздействие тех ее частей, на которые этот элемент опирается; эти силы называются реакциями.