Учебное пособие 1883
.pdf
Абсолютное удлинение бруса прямо пропорционально величине продольной силы в сечении, длине бруса и обратно пропорционально площади поперечного сечения и модулю упругости.
Связь меж продольной и поперечной деформациями зависит от параметров материала, связь определяется коэффициентом Пуассона, именуемом ко-
эффициентом поперечной деформации. Коэффициент Пуассона: у стали μ от
0,25 до 0,3; у пробки μ = 0; у резины μ — 0,5.
Закон Гука выполняется в зоне упругих деформаций, которая определяется при испытаниях на растяжение по диаграмме растяжения
При работе пластические деформации не должны возникать, упругие деформации малы по сопоставлению с геометрическими размерами тела.
Главные расчеты в сопротивлении материалов проводятся в зоне упругих деформации, где действует закон Гука.
Определение деформации бруса под перегрузкой и сопоставление её с допускаемой (не нарушающей работоспособности бруса) именуют расчетом на твердость.
Закон Гука:
= Е |
(5.1) |
||
Откуда: |
|
||
= |
|||
|
|
||
Е |
|||
Относительное удлинение: = ∆ |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
В итоге получим зависимость меж перегрузкой, размерами бруса и воз- |
|||||||
никающей деформацией: |
|
|
|
|
|
|
|
∆ = |
; = |
; ∆ = |
|
или ∆ = |
|
, |
(5.2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
где l – абсолютное удлинение, мм; σ- обычное напряжение, МПа; l— исходная длина, мм;
Е — модуль упругости материала, МПа; N — продольная сила, Н;
А — площадь поперечного сечения, мм2; Произведение АЕ именуют жесткостью сечения. Порядок выполнения работы:
1.Брус ступенчатый, поэтому следует построить эпюры продольных сил
инормальных напряжений. Делим брус на участки нагружения, определяем продольные силы, строим эпюру продольных сил.
2.Определяем величины нормальных напряжений по сечениям с учетом изменений площади поперечного сечения. Строим эпюру нормальных напряжений.
3.На каждом участке определяем абсолютное удлинение.
4.Результаты алгебраически суммируем.
21
Пример расчета 1
Дана схема нагружения и размеры бруса до деформации. Брус защемлен, определить перемещение свободного конца.
Рис. 5.1. Брус
Примечание. Балка защемлена, в заделке возникает неизвестная реакция в опоре, поэтому расчет начинаем со свободного конца (справа).
1. Два участка нагружения:
участок 1: N1 = + 25 кН; растянут; участок 2: 25 – 60 + N2 = 0; N2 = - 35 кН; сжат. 2. Три участка по напряжениям:
3.
|
= |
1 |
|
|
= |
25 ∙ 103 |
|
= 50 н/мм2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
= |
1 |
|
|
= |
25∙103 |
= 25 н/мм2 |
|||||||||
|
2 |
|
|
||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
2 |
1000 |
|
|
||||||||
|
= |
|
2 |
|
|
= |
−35∙103 |
|
= −35 н/мм2 |
||||||||
|
|
2 |
|
|
|||||||||||||
|
3 |
|
|
3 |
|
1000 |
|
|
|
||||||||
4. Удлинения участка (материал – сталь Е = 2 · 105 МПа)
5.
∆ |
= |
1 1 |
; ∆ |
= |
50 ∙ 0,5 ∙ 103 |
= 0,125 мм |
||||
|
|
|
||||||||
1 |
|
|
1 |
|
2 ∙ 105 |
|
||||
|
|
∆ 2 |
= |
25 ∙ 0,4 ∙ 103 |
|
= 0,05 мм |
||||
|
|
|
2 ∙ 105 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
∆l3 = |
−35 ∙ 0,4 ∙ 103 |
= −0,07мм |
|||||||
|
|
2 ∙ 105 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4.Суммарное удлинение бруса (перемещение свободного конца). Δl = Δl2
+Δl3; Δl =0,125 + 0,05 – 0,07 = 0,105 мм.
22
Пример расчета 2
Для данного стального ступенчатого бруса построить эпюру продольных сил и нормальных напряжений ; определить перемещение свободного конца ∆ℓ; произвести проверочный расчет, если [s] =160 МПа.
F1 = 30 кН; F2 = 38 кН; F3 = 42 кН; А1 = 1,9 см 2; А2 =3,1 см 2
Решение:
Рис. 5.2. Ступенчатый брус
1 Разбиваем брус на участки 1, 2, 3, 4, 5.
2 Применяя метод сечений, определяем значения продольных сил Nz, Н, на участках бруса:
1 = 0; 1 = 0;2 = 1 2 = 30кН = 30 − 103Н
3 = 1; 3 = 30кН = 30 − 103Н
4 = 1 − 2 4 = 30 − 38 = −8кН = −8 − 103Н5 = 1 − 2 − 3 5 = 30 − 38 − 42 = −50кН = −50 − 103Н
Строим эпюру продольных сил N z 3 Вычисляем значения нормальных напряжений 
, МПа, по формулам
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
1 |
|
; = 0; |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30−103 |
|
|
|
Н |
|
|
|
|||||||
|
|
= |
|
|
2 |
; |
= |
|
|
|
|
|
|
|
= 158 |
|
|
|
|
|
= 158мПа; |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
||||||||||
2 |
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мм |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,9−10 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
30−103 |
|
|
|
Н |
|
|
|
|
||||||||
|
= |
|
|
3 |
; |
= |
|
|
|
|
|
|
= 96,8 |
|
|
|
|
|
= 96,8мПа; |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|||||||||||
3 |
|
|
|
|
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мм |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3,1−10 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−8−103 |
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
||||
= |
|
4 |
; = |
|
|
|
|
|
|
= −25,8 |
|
|
|
|
|
= −25,8мПа; |
||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
||||||||||||||
4 |
|
|
2 |
4 |
|
3,1−10 |
|
|
|
|
мм |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
23
|
|
|
−50−103 |
|
Н |
|
|
= |
5 |
; |
= |
|
= −161,3 |
|
= −163,3мПа. |
|
3,1−102 |
мм2 |
|||||
5 |
2 4 |
|
|
|
|||
Строим эпюру нормальных напряжений. |
|
||||||||||||||
4 Определяем перемещение свободного конца ∆ , мм, по формуле |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
∆ = ∆ 1 + ∆ 2 + ∆ 3 + ∆ 4 + ∆ 5 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
|
|
||
|
|
|
|
|
∆ = |
|
1 |
1 |
; ∆ = 0; |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
∙ |
1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
∙ |
|
|
30−103−0,5−103 |
|
|
|
|
|
|
||||
∆ 2 = |
2 |
2 |
; ∆ 2 |
= |
|
|
|
|
|
= 0,394мм; |
|
||||
1∙ |
2 |
|
|
5 |
|
||||||||||
|
|
|
1,9−10 −2−10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
∙ |
|
|
30−103−0,1−103 |
|
|
|
|
|
|
||||
∆ 3 = |
3 |
3 |
; ∆ 3 |
= |
|
|
|
|
|
= 0,0484мм; |
|
||||
2∙ |
2 |
|
|
5 |
|
||||||||||
|
|
|
3,1−10 −2−10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
∙ |
|
|
−8−103−0,4−103 |
|
|
||||||||
∆ 4 = |
4 |
4 |
; ∆ 4 |
= |
|
|
|
|
|
= −0,0516мм; |
|
||||
2∙ |
2 |
|
|
5 |
|
|
|||||||||
|
|
|
3,1−10 −2−10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
∙ |
|
|
−50−103−0,2−103 |
|
|
||||||||
∆ 5 = |
5 |
5 |
; ∆ 5 |
= |
|
|
|
|
|
|
|
= −0,161мм; |
|
||
2∙ |
2 |
|
|
|
5 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
3,1−10 −2−10 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
∆ = 0 + 0,394 + 0,0484 – 0,0516 – 0,161 = 0,23 мм. |
|
||||||||||||||
5 Проверяем условия прочности: |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
пр = £ [s] |
|
(5.3) |
|||||||
Так как пр = 161,3 мПа , больше допустимого напряжения [s] вычисляем перегрузку∆ :
|
|
∆ = |
| пр−[ ]| |
100% |
(5.4) |
||
|
|
[ ] |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
∆ = |
|161,3−160| |
100%=0,83%, что меньше допускаемого |
значения пере- |
||||
160 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
грузки равного 5 
.
Условия прочности выполняется, брус удлинился на 0,23мм. Последовательность проектного расчета 1 Определить реакции стержней, используя уравнения равновесия для плос-
кой системы сходящихся сил, и проверить правильность найденных реакций.
2 Для наиболее нагруженного стержня, используя условие прочности [А] ≥ [ ], определить требуемую площадь поперечного сечения стержня и по-
добрать по сортаменту подходящий номер профиля и найти стандартное значение площади поперечного сечения стержня.
3 Определить процент переили недогрузки наиболее нагруженного стержня. Содержание отчета:
1.Наименование и цель работы.
2.Схема бруса своего варианта.
3.Расчеты.
4.Выводы по работе.
24
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ ПРИ КРУЧЕНИИ
Цель работы: научиться определять величину крутящих моментов, определять диаметр вала из условия прочности при кручении и определять угол закручивания.
Задание: Определить величину крутящих моментов для каждого участка, построить эпюру крутящих моментов, определить диаметр вала на каждом участке, определить угол закручивания каждого участка. Принять мощность на колесах:
Схему и исходные данные выбрать в соответствии с номером студента по списку в журнале.
Для всех вариантов принимать:[ ]=25МПа;
Порядок выполнения
1.Изобразить расчетную схему.
2.Разбить вал на участки и пронумеровать их.
3.Определить мощность на колесах.
4.Определить вращающие моменты на колесах: Мвр= Р Нм,
где Р – мощность на колесе (Вm), ω – угловая скорость (рад/с)
5. Определить крутящие моменты на каждом участке – Мk. 6. Построить эпюру крутящих моментов – Mk.
7. Из условия прочности при кручении:
kmaх M k
Wp
определить требуемый поперечный момент сопротивления для каждого участка:
М
Wp К .
8. Определить диаметр вала для каждого участка:
|
|
|
3 |
3 |
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
= |
≈ 0, 23; |
≥ √ |
≈ 3 |
5 |
|||
|
|
|||||||
|
16 |
|
|
|
√ |
|
||
|
|
|
|
|
||||
Округлить полученное значение до стандартных.
9. Определить полярные моменты инерции сечений для каждого участка:
Jр=0,1d4(мм)
25
10.Определить углы закручивания каждого участка, приняв длины участков одинаковыми и равными =300мм
1800 M k
G J p
11.Вывод.
|
|
|
Таблица 6.1 |
|
Варианты заданий |
|
|
Вариант |
Р1кВт |
ωрад/с |
№ схемы |
1, 11, 21. |
30 |
20 |
1 |
|
|
|
|
2, 12, 22. |
22 |
30 |
2 |
|
|
|
|
3, 13, 23. |
15 |
10 |
3 |
|
|
|
|
4, 14, 24. |
18 |
40 |
4 |
|
|
|
|
5, 15, 25. |
10 |
30 |
5 |
|
|
|
|
6, 16, 26. |
25 |
35 |
6 |
|
|
|
|
7, 17, 27. |
35 |
40 |
7 |
|
|
|
|
8, 18, 28. |
24 |
15 |
8 |
|
|
|
|
9, 19, 29. |
50 |
100 |
9 |
|
|
|
|
10, 20, 30. |
11 |
24 |
10 |
|
|
|
|
Задания к практической работе № 6
Таблица 6.2
|
Задания к практической работе |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
26
9 |
10 |
|
|
1.Изобразить расчетную схему.
2.Выписать исходные данные из таблицы.
3.Заменить действие опор на балку силами реакций.
4.Составить уравнение равновесия для плоской системы параллельных
сил: МA 0; |
МВ 0. |
5. Найти из уравнений равновесия неизвестные силы реакций.
6. Определить поперечную силу в каждом из характерных сечений, как сумму внешних сил, приложенных по одну сторону от сечения.
7. Построить эпюру поперечных сил.
8. Определить величину изгибающего момента для каждого характерного сечения, как сумму моментов внешних сил, приложенных по одну сторону от сечения, относительно центра тяжести этого сечения.
9. Построить эпюру изгибающих моментов.
10. Выбрать наиболее нагруженное сечение, где Mu=max.
11. Записать уравнение условия прочности при изгибе:
иmaх Миmaх и .
Wх
12. Найти требуемую величину осевого сопротивления сечения:
|
Миmaх |
|
d 3 |
3 |
|
WХ |
|
; из выражения; WХ |
32 0,1d |
|
. |
и |
|
13. Определить диаметр наиболее нагруженного поперечного сечения оси:
27
d 3 32WХ 3 10WХ
14.Округлить диаметр до ближайшего стандартного значения из ряда R40 по таблицы 7.1.
15.Вывод.
Задания к практической работе № 7
Таблица 7.1
Задания к практической работе
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
28
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8 РАСЧЕТ ВАЛА НА СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ИЗГИБА И КРУЧЕНИЯ
Цель работы. На основе изучения темы «Гипотезы прочности и их применение» научиться рассматривать сложную деформацию (сочетание изгиба с кручением), и рассчитывать вал на прочность при сочетании основных деформаций.
Теоретические сведения. Сочетание деформаций изгиба и кручения испытывает большинство валов, которые представляют собой прямые брусья круглого или кольцевого сечения.
При расчете валов учитывается только крутящий и изгибающий моменты, действующие в опасном поперечно сечении и не учитывается поперечная сила Q.
III теория прочности: Опасное состояние материала наступает тогда, когда наибольшие касательные напряжения τ достигают предельной величины.
Эквивалентное напряжение σэкв – это такое условное напряжение при одностороннем растяжении, которое равноопасно заданному случаю сочетания основных деформаций.
Энергетическая теория прочности (V теория прочности): Опасное состояние материала в данной точке наступает тогда, когда удельная потенциальная энергия формоизменения достигает предельной величины.
При сочетании деформаций опасными будут точки поперечного сечения вала, наиболее удаленные от нейтральной оси.
III теория прочности:
М экв Ми2 М к2 ,
где Мэкв – эквивалентный момент; Ми – максимальный изгибающий момент; Мк – крутящий момент;
W – момент сопротивления изгибу.
По энергетической теории прочности (V):
М экв Ми2 0,75М к2 .
Расчетная формула на прочность для круглых валов:
экв М экв .
W
29
Пример решения задачи
Для стального вала (рисунок 8.1) постоянного поперечного сечения с двумя зубчатыми колесами, передающего мощность Р=15 кВт при угловой скорости ω=30 рад/с, определить диаметр вала по двум вариантам:
а) используя третью гипотезу прочности; б) используя пятую гипотезу прочности. Принять [σ]=160 МПа.
Fr1 =0.4F1; Fr2 =0.4F2.
Рис. 8.1. Вал с двумя зубчатыми колесами
Решение
Составляем расчетную схему вала, приводя действующие на вал нагрузки к оси (рисунок 8.1б). При равномерном вращении вала М1=М2, где М1 и М2 – скручивающие пары, которые добавляются при переносе сил F1 и F2 на ось вала.
Определяем вращающий момент, действующий на вал:
М1= М2 = Р / ω= 0,5·103 Н·м= 0,5 кН·м.
Вычислим нагрузки приложенные к валу:
F1= 2 М1 / d1 = 2·0,5·103 /0,1= 10 кН; Fr1 =0.4F1=0,4·10=4 кН; F2= 2 М2 / d2 = 2·0,5·103 /0,25= 4 кН; Fr2 =0.4F2=0,4·4=1,6 кН.
Определяем реакции опор в вертикальной плоскости (рис. 7.1б):
∑МА=0; Fr2·AD - RB·AB+ Fr1·AC=0;
RB= Fr2·AD+ Fr1·AC / AB= 1.6·0.25+ 4·0.05 /0.3 =2 кН;
∑МВ=0; - Fr2·DB + RA·AB - Fr1·BC=0;
RA= Fr2·DB+ Fr1·BC / AB= 1.6·0.05+4·0.25 / 0.3= 3.6 кН;
Проверка: ∑Y=0; - Fr1+ RB - Fr2 + RA =2-4-1.6+3.6=0.
Следовательно, реакции найдены верно.
Определяем реакции опор в горизонтальной плоскости:
∑МА=0; -F2·АD - RB·АB+ F1·АС=0;
30