3.8. Вибір коефіцієнта запасу міцності та допустимих напружень
Розглянуті величини, що характеризують механічні властивості матеріалу (границі міцності, пропорційності, текучості, модуль пружності і т. п.) визначають за допомогою лабораторних досліджень при статичному навантаженні.
Ідеєю будь-якого розрахунку на міцність є зробити так, щоб максимальні розрахункові напруження в конструкції не перевищували допустимих. Тобто
;
або
;
або
.
Візьмемо, наприклад, і розглянемо, яким чином вибрати рівень допустимих напружень [σ].
При виборі напружень, що допускаються, доводиться враховувати цілий ряд обставин. Величини і характер дії сил, що входять у розрахунки, відомі нам не зовсім точно; механічні властивості матеріалів на практиці часто дають значні відхилення від середніх значень; методи наших розрахунків, уявлення про взаємодію окремих частин конструкцій зазвичай є спрощеними і наближеними.
Тому допустимі напруження вибираються як зменшені небезпечні напруження, тобто
, (36)
де s – коефіцієнт запасу міцності (або коефіцієнт незнання, як часто його називають інженери).
Коефіцієнт запасу повинен враховувати всі ці неточності, що неминучими є в наших розрахунках.
Чим не одноріднішим є матеріал, чим наближеніше ми оцінюємо дійсні навантаження, чим спрощеніше уявляємо собі з’єднання окремих елементів конструкції, тим більшим цей коефіцієнт доводиться вибирати. Частини машин при роботі зношуються, тому у багатьох випадках доводиться давати «запас на знос». У металевих спорудах часто доводиться враховувати можливість корозії.
З другого боку є конструкції (літаки, ракети, портативні прилади та пристрої), де необхідно максимально знижувати коефіцієнт запасу.
Таким чином, правильний вибір напружень, що допускаються, є доволі складним завданням, пов’язаним з методами розрахунків і дослідження матеріалів, а також господарсько-економічними і деякими іншими факторами.
Для багатьох конструкцій норми напружень, що допускаються, встановлюють прийнятні в тій чи іншій галузі нормативи і інженер лише повинен уміти правильно їх застосовувати.
Таким чином, коефіцієнт запасу треба вибирати з тим розрахунком, щоб був забезпечений відомий запас міцності проти виникнення так званого небезпечного стану матеріалу, який буде небезпечним для роботи конструкції.
Прийняті в інженерній практиці значення загального коефіцієнту запасу kв відносно межі міцності для різного стану матеріалу і для різного характеру дії навантажень і з додаванням до нього звичайної величини впливу динамічності навантаження і місцевих напружень представлені в таблиці 2.
Таблиця 2. – Коефіцієнти запасу
Характер навантаження |
Стан матеріалу |
sв |
1. Статичне навантаження |
Пластичний матеріал |
2,4 ÷ 2,6 |
Крихкий матеріал |
3,0 ÷ 9,0 |
|
2. Ударне навантаження |
Пластичний матеріал |
2,8 ÷ 5,0 |
3. Змінне навантаження (розтяг–стиск однакової величини) |
Пластичний матеріал (сталь) |
5,0 ÷ 15,0 |
Ця таблиця має лише орієнтовний характер. Вона дає уявлення про зміну коефіцієнта запасу залежно від різних обставин.
У таблиці 3 наведені орієнтовні величини основних напружень, що допускаються, на розтяг і стиск для деяких основних конструкційних матеріалів.
Таблиця 3. – Орієнтовні величини основних допустимих напружень
Найменування матеріалу |
Допустимі напруження, МПа на розтяг на стиск |
Чавун сірий у відливі |
28 – 80 120–150 |
Сталь звичайної якісті Ст 3 |
125 |
Сталь звичайної якісті Ст 5 |
165 |
Якісна сталь 30 |
600 |
Якісна сталь 45 |
750 |
Легована сталь 45Х |
950 |
Мідь |
30–120 |
Латунь |
70–140 |
Алюміній |
30–80 |
Дюралюміній |
80–150 |