
- •Сопротивление материалов
- •Раздел I. Методологические основы расчёта
- •Раздел II. Исследование напряженно-деформи-
- •Раздел III. Стержневые системы. . . . . . . . . 146
- •12. Расчёт статически неопределимых сисстем
- •Раздел IV. Динамическое и циклическое
- •15. Прочность материалов при циклически
- •Раздел V. Методические указания и задачи для
- •Основные обозначения
- •Раздел I. Методологические основы расчёта элементов конструкций.
- •1. Основные понятия
- •2. Внутренние силы
- •Метод сечений
- •2.2. Вычисление внутренних усилий и построение их эпюр
- •2.3. Дифференциальные уравнения равновесия для внутренних усилий в поперечных сечениях стержней
- •Практикум
- •Вопросы для повторения
- •Контрольные тесты
- •3. Геометрические характеристики плоских сечений
- •3.1. Основные понятия
- •3.2. Моменты инерции простейших фигур
- •3.3. Зависимости между моментами инерции относительно параллельных осей
- •3.4 Главные оси и главные
- •3.5. Практикум
- •Контрольные тесты
- •4. Напряжения и деформации
- •4.1. Понятие о напряжениях, связь с внутренними усилиями в брусе
- •4.2. Плоское напряженное состояние
- •4.3. Перемещения и деформации
- •4.4 Практикум Примеры
- •Вопросы для повторения
- •Контрольные тесты
- •5. Механические свойства материалов. Физические уравнения
- •5.1. Постановка эксперимента
- •5.2. Диаграммы растяжения и основные механические характеристики материалов
- •5.3. Диаграммы сжатия. Особенности разрушения при сжатии
- •5.4. Соотношения упругости
- •5.5. Линейный физический закон
- •5.6. Соотношения пластичности
- •5.7 Практикум
- •Тесты для повторения
- •Контрольные тесты
- •6. Модели предельного состояния
- •6.1. Модели предельного состояния в локальной области
- •6.2. Модели разрушения
- •6.3. Методы поверочных расчетов
- •6.4 Практикум
- •Раздел II. Исследование напряженно-
- •7. Растяжение сжатие
- •7.1. Основные предпосылки
- •7.2. Растяжение (сжатие) прямого бруса постоянного сечения
- •7.3. Влияние собственного веса конструкции
- •7.4. Композитный брус
- •7.5. Поверочные и проектные расчеты
- •7.6 Практикум Примеры
- •Вопросы для повторения
- •Контрольные тесты
- •8. Сдвиг
- •8.1 Основные положения
- •8.2. Практические расчёты соединений, работающих на сдвиг.
- •8.3 Практикум Примеры
- •Вопросы для повторения
- •9. Кручение
- •9.1. Основные понятия
- •9.2. Напряженно-деформированное состояние круглого бруса
- •9.3. Поверочные и проектные расчеты
- •9.4 Практикум
- •Контрольные тесты
- •10. Изгиб
- •10.1 . Плоский изгиб волокна
- •10.2. Чистый прямой изгиб призматического бруса
- •10.3. Поперечный изгиб
- •10.4. Поверочные и проектные расчеты
- •10.5 Перемещение при изгибе. Метод начальных параметров.
- •10.6. Композитный брус
- •10.7. Предельное сопротивление балки
- •Практикум
- •Вопросы для повторения
- •Контрольные тесты
- •11. Сложное сопротивление
- •11.1. Общие понятия
- •11.2. Чистый косой изгиб призматического бруса
- •11.3. Чистый изгиб с растяжением (сжатием)
- •11.4. Изгиб с кручением брусьев круглого сечения
- •11.5. Расчёт безмоментных оболочек вращения
- •11.6 Практикум
- •Раздел III. Стержневые системы
- •12. Расчёт статически неопределимых систем методом сил
- •12.1 Основная система и сущность метода
- •12.2. Определение перемещений методом Мора
- •12.3 Канонические уравнения
- •12.4 Построение эпюр внутренних усилий
- •12.5 Практикум
- •13. Расчет сжатых стержней на устойчивость
- •13.1. Устойчивые и неустойчивые формы равновесия
- •13.2. Формула Эйлера для критической силы
- •13.3. Влияние способа закрепления концов стержня на критическую силу
- •13.4. Подбор сечения по условиям безопасной устойчивости
- •13.5 Продольно поперечный изгиб сжатых стержней.
- •13.6 Практикум
- •Раздел IV. Динамическое и циклическое нагружение
- •14.1. Движение тела с ускорением
- •14.2 Ударная нагрузка на стержень
- •14.3 Колебания системы с одной степенью свободы
- •14.4 Практикум
- •15. Прочность материалов при циклических напряжениях
- •15.1. Основные понятия
- •15.2. Факторы, влияющие на величину предела выносливости
- •15.3 Практикум.
- •Раздел V. Методические указания и задачи для самосто-ятельного решения и контрольных работ
- •V.1. Методические указания к выполнению задания
- •V.2. Контрольное задание №1
- •Задача 3.2
- •Задача 3.4
- •308012, Г. Белгород, ул. Костюкова, 46
13.3. Влияние способа закрепления концов стержня на критическую силу
На рис. 13.4 показаны другие случаи закрепления концов стержня. Каждую из этих задач можно решать по плану, реализованному для шарнирно опертого стержня. В то же время решение можно получить путем сопоставления изгиба шарнирно опертого стержня с изгибом стержня при другом закреплении его концов (штриховые линии на рис. 13.4) Обобщенная формула:
содержит так называемый коэффициент приведенной длины μ.
Приведенная (свободная) длина l0 = μl может быть истолкована как некоторая условная длина однопролетного стержня, критическая сила которого при шарнирном закреплении его концов такая же, как для заданного стержня. Понятие о приведенной длине впервые введено профессором Петербургского института инженеров путей сообщения Ф.С. Ясинским в 1892 г.
Рис. 13.4
Исследования показали, что местные ослабления (заклепочные отверстия, уменьшение сечения за счет врубок и т.п.) существенно не влияют на величину критической силы. Поэтому в формулу для Fcr входит момент инерции Ibr площади сечения без учета ослабления Abr (брутто). При вычислении критического напряжения также используется Abr:
где
–
гибкость
стержня
(радиус инерции берется минимальный).
Вследствие использования линейного физического закона формулы для критической силы справедливы в том случае, когда напряжения σcr не превышают предела пропорциональности σpr . Из условия σcr = σpr определяется предельная гибкость λlim, при которой формулы еще применимы:
λ
lim
Для стали с σpr = 200 МПа и
Е = 2,1·105МПа λlim ≈ 100, для чугуна λlim ≈ 80, для дерева λlim ≈ 110.
При гибкостях λ < λ1 (для стали Ст.3 λ1=40) стержни можно рассчитывать на прочность без учёта опасности потери ус-тойчивости (рис. 13.5, зона I). Для этого случая критическими являются напряже-
ния, соответствующие предельным
Рис. 13.5 (σcr=σy).
Использование формулы Эйлера за пределами её применимости (λ < λlim) приводит к завышенному расчётному значению критических напряжений, следовательно к грубым ошибкам, что чревато потерей устойчивости стержня и разрушением конструкции.
При λ < λlim формулы становятся неприменимыми. В этом случае используют эмпирическую формулу Тетмайера − Ясинского (рис. 13.5, зона II):
σcr = а – bλ ,
где а и b – коэффициенты, зависящие от материала. Для стали Ст.3 при гибкостях λ = 40…100 коэффициенты а и b принимаются равными: а = 310 МПа, b = 1,14 МПа.
13.4. Подбор сечения по условиям безопасной устойчивости
Условие устойчивости равновесия записывается либо в напряжениях: σ ≤ σs adm , либо в нагрузках: F ≤ Fs adm , где σs adm и Fs adm – допускаемые напряжение и нагрузка по условиям безопасной устойчивости; при этом
σs adm = σcr / ns, Fs adm = Fcr / ns ,
где ns – коэффициент запаса устойчивости, который равен или превосходит коэффициент запаса прочности n (отклонения от проекта конструкции в отношении формы стержня, линии действия нагрузки уменьшают критическую нагрузку и σcr , но почти не влияют на прочность конструкции).
Исходя из использования сопротивления системы в целом, принимают условия устойчивости равновесия в нагрузках. В отдельных случаях это равнозначно принятию условия устойчивости равновесия в напряжениях. Для центрально сжатой стойки допустимая нагрузка
Fs adm = (π2EImin)/(μ2l2ns),
откуда при заданных значениях ns, E, l и вычисленном значении μ можно найти Imin. Рациональным считается сечение, у которого Imin = Imax (при μy = μz).
Установим связь между допускаемым напряжением на устойчивость и величиной σadm:
σs adm / σadm = (σcr n)/( σb ns) = φ.
Учитывая, что σcr < σb, а n ≤ ns устанавливаем, что φ<1. Величина φ есть коэффициент уменьшения основного допускаемого напряжения для сжатых стержней (коэффициент продольного изгибa). Имея зависимость σcr~ λ для данного материала, зная σadm и выбрав ns, можно составить таблицы значений φ в функции от гибкости λ.
В связи с зависимостью φ от формы и размеров сечения подбор сечения по условиям устойчивости σ ≤ φσadm ведется путем последовательных прибли-жений. Выбираем форму сечения и задаемся его размерами (или при-мерным значением φ, например, φ1= 0,5); вычисляем наименьший радиус инерции и гибкость; находим по таблице коэффициент φ1' и вычисляем σs adm = φ1' σadm; сравниваем действительное напряжение σ с полученной величиной σs adm; если условие устойчивости не удовлетворено или удовлетворено с большим запасом (разница между σ и σs adm не должна превышать 3 – 5%), меняем размеры сече-ния (задаемся новым значением φ2, равным среднему арифметическому величин φ1 и φ1') и повторяем расчет. Окончательно выбранное сечение должно удовлетворять и условию прочности: σ ≤ σadm.