книги из ГПНТБ / Гольдин И.И. Основы технической механики учеб. пособие

определяют вращающий (скручивающий) момент по формуле

на ведущем валу момент, которому противодействует момент, созда­

в виде отрезка определенной длины, можно построить схему рас­ пределения крутящего момента по длине ведущего вала (рис. 208).

На ведомом валу скручивающий момент создается весом груза (плечо момента силы — радиус барабана), а противодействует ему момент, так же как на ведущем валу, создаваемый усилием в зацепле-

300

Нии колес. Аналогично предыдущему можно построить схему распре­ деления внутреннего крутящего момента (рис. 209).

2. Определение величин крутящих моментов.

Так как внутренние крутящие моменты равны внешним момен­ там, то вначале определим последние

d2~-= 37 MM.

§143. Упражнения и вопросы для повторения

1.Как отличаются диаметры двух валов, рассчитанных на кру­ чение при передаче одинаковой мощности, но с разными частотами

в точках, расположенных на поверхности валов, объяснить целесооб­ разность изготовления не сплошных, а полых валов?

3. Заполнить приведенную ниже таблицу сравнительной характе­ ристики деформаций сдвига и кручения. (См. табл. на стр. 302),

4.Какой внутренний силовой фактор действует в сечении скручи­ ваемого бруса?

5.В чем различие между распределением напряжений в сечении при сдвиге и при кручении?

6.От каких факторов зависит величина напряжения в определен­ ной точке сечения при кручении?

7.В каких точках круглого бруса будут возникать наибольшие напряжения при кручении?

301

8.Как подсчитавается величина действительных максимальных напряжений при кручении?

9.Что необходимо знать, чтобы в проектном расчете на кручение определить требуемый диаметр вала?

Глава двадцать четвертая ИЗГИБ И СЛОЖНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

§ 144. Характер деформации при изгибе

Если брус находится под действием двух пар сил, рас­ положенных в плоскости его продольной оси, то возникает

Рис. 210. Деформация при изгибе

деформация изгиба. Снова, как и при растяжении, предста­ вим себе в таком брусе воображаемые продольные волокна. Совершенно очевидно, что при деформации изгиба волокна в одной зоне удлинятся, в другой — станут короче (рис. 210).

Между зонами растяжения и сжатия располагается нейтральный слой, волокна которого не подвергаются де­ формации и сохраняют свою длину неизменной. Чем дальше

302

волокна расположены от нейтрального слоя, тем большую деформацию они испытывают. Все это вместе взятое позво­ ляет сделать вывод, что при изгибе в поперечных сечениях бруса под действием внутренних сил возникают нормаль­ ные напряжения растяжения и сжатия, причем величина

напряжения будут в точках, наиболее удаленных от н е й т -

рис. 211). Эти напряжения в зоне растяжения обозначаются

Мы рассмотрели случай чистого изгиба, когда брус на­ ходится под действием пар сил. Но изгиб может возникнуть и при ином нагружении бруса, например под действием сил и реакций, перпендикулярных оси балки (рис. 212) (брус, испытывающий деформацию изгиба, называют бал­ кой).

303

В этом случае характер деформирования более сложный (поперечный изгиб). Для определения внутренних силовых факторов применим метод сечений. Рассмотрим (рис. 212) любое сечение^ например 1—1. Рассечем брус, отбросим левую часть и рассмотрим равновесие оставшейся — пра­ вой (рис. 213). Вспомним, что для общего случая равнове­ сия тел в статике требовалось соблюдение трех условий. Первое условие — равенство нулю суммы сил, направлен­ ных параллельно одной из осей (в нашем случае примем ось у). Это условие дает Q = RB. Второе условие — равен­ ство нулю суммы сил,-направленных параллельно другой оси (в нашем случае — оси х), соблюдается тождественно, так как обе силы, и внешняя и равнодействующая внутрен­ них сил, направлены перпендикулярно этой оси.

Соблюдение третьего условия — равенство нулю суммы моментов всех сил — подсказывает нам, что в сечении долж­ ны дополнительно действовать внутренние силы, приводя­

что в сечении действуют следующие внутренние силовые факторы: поперечная сила и изгибающий момент. Первый есть следствие деформации сдвига, а второй — следствие деформации изгиба. Однако как показала практика, глав­ ную опасность для прочности материала при поперечном

§ 145. Сопротивление изгибу

Представим себе невесомый брус прямоугольного сече­ ния площадью F, жестко закрепленный одним концом и нагруженный так, как показано на рис. 214, а.

Проанализируем напряженное состояние. Не подлежит сомнению, что в данном случае возникает деформация рас­ тяжения и что в любом нормальном поперечном сечении между свободным и защемленным концами бруса будут одинаковые напряжения (т. е. все сечения равноопасны). Далее. Во всех точках сечений напряжения одинаковы (ведь внутренние силы при растяжении распределены по сечению равномерно) и их величина определяется так

304

Изменим положение бруса в пространстве (рис. 214, б). Нетрудно обнаружить, что все рассуждения, приведенные выше, остались справедливыми.

Теперь снова рассмотрим эти два бруса, однако силу приложим по-иному (рис. 215). Нетрудно представить, что в этих случаях брус (будем, как условились, называть его теперь балкой) испытывает деформацию изгиба. Будут ли все сечения равноопасны, как это имело место при растяжении? Опыт подсказывает, что нет. Возможные

разрушения могут произойти прежде всего в сечениях, совпадающих с заделкой.

Чем же такое сечение отличается от всех остальных? Очевидно тем, что момент, создаваемый силой Р (изгибаю­ щий момент), в этом сечении будет наибольшим. Ведь ве­

с заделкой, плечо наибольшее. В этом первое отличие де­ формации изгиба от деформации растяжения при указан­ ном нагружении: при изгибе есть опасное сечение, а при рас­ тяжении — повторим еще раз — все сечения равноопасны.

Продолжим анализ. Одинаковы ли напряженные состоя­ ния балок, изображенных на рис. 215, а и 215, б? Опыт под-

305

сказывает, что балка б больше сопротивляется деформации несмотря на то, что размеры поперечных сечений в обоих случаях одинаковы. Чем отличается положение балок? Лишь тем, что в первом случае материал в сечении ближе

в брусе волокна, тем больше они деформируются, а значит и тем большее сопротивление деформации оказывают.

В этом второе отличие деформации изгиба от деформации растяжения: сопротивление деформации зависит не только

при изгибе применять брусья с сечениями, в которых мате­ риал расположен дальше от нейтральной оси. Так, при одной и той же площади применение кольцевого сечения (трубы) целесообразнее применения сплошного; прямо­ угольные выгоднее квадратного, причем рациональней большее отношение h : b.

Но наиболее выгодным являются специальные профили: двутавры, швеллеры (рис. 216).

Учитывая, что по закону Гука напряжение в каждой точке деформируемого поперечного сечения пропорцио­ нально относительной деформации, а сама относительная деформация пропорциональна расстоянию точки от ней­ тральной оси, можно с помощью математических преобра­ зований, приравняв сумму моментов внутренних сил внеш­ нему моменту (метод сечения), определить величину макси­ мальных напряжений изгиба

Сам вывод не приводится ввиду его сложности,

306

Знаки «±» означают, что в точках, наиболее удаленных от нейтральной оси, но расположенных по разные стороны от нее, будут различные по характеру деформации нормаль­

Для специальных сечений типа двутавров и швеллеров величины осевых моментов сопротивления изгибу приво­ дятся в справочниках.

§ 146. Расчеты на прочность при изгибе

При проектном расчете требуется определить минималь­ ные размеры опасного поперечного сечения, которые обес­ печат при заданной нагрузке необходимую прочность. Изгибающий момент в опасном сечении и материал балки (т. е. допускаемые напряжения) известны.

Как и в случае других деформаций, расчет ведут в пред­ положении, что максимальные действительные напряжения будут равны или несколько меньше допускаемых. Следо­ вательно,

307

Отсюда находят осевой момент сопротивления изгибу

W^P^. (ПО)

Затем, в зависимости от предполагаемой формы поперечного сечения рассчитываемой балки, по формулам (106, 107, 108) определяют необходимые размеры сечения.

Если сечение представляет собой стандартный профиль (двутавр, швеллер), то по полученной величине W из спра­ вочных таблиц подбирают номер соответствующего профиля. Причем табличное значение й^абл. должно быть больше или равно расчетному W.

При проверочном расчете определяют максимальные действительные напряжения, т. е. напряжения в наиболее опасных точках опасного сечения, и сравнивают их с допу­ скаемыми. В этом случае предварительно находят изгибаю­

§ 147. Определение опасного сечения при изгибе

Выше отмечалось, что одно из отличий деформации изгиба от деформации растяжения (при рассмотренных случаях нагружения) — наличие опасного сечения, т. е. сечения, в котором действует максимальный изгибающий момент. Очевидно, надо научиться определять положение опасного сечения балки и величину изгибающего момента в этом сечении.

Мы уже анализировали простейший случай нагружения балки (см. рис. 215) и положение опасного сечения нашли, опираясь на опыт. Снова вернемся к этому случаю и приве­ дем более строгие доказательства. Балку изобразим упро­ щенно (рис. 218, а).

Для определения внутренних силовых факторов восполь­ зуемся методом сечений. Так как метод сечений применим лишь к свободному телу, то рассматривать будем равнове­ сие отсеченной правой части (рис. 218, б).

По аналогии с анализом рис. 212 ясно, что в сечении / будут действовать-поперечная сила Q = Р и изгибающий момент, равный Ми = Р-хх. Рассмотрим другое сечение, например сечение 2 (рис. 218, в). В нем будет действовать та же сила Р и момент Р-х2. Аналогичная картина будет и для других сечений. Мы уже условились, что поперечными

308

силами и вызванными ими касательными напряжениями сдвига будем пренебрегать. Все внимание сосредоточим на изгибающем моменте, величина которого, как это ясно

моментов. Промежуточные между точками «а» и «б» орди­ наты соответствуют величинам моментов в соответствующих сечениях. Итак, для этого случая получили: опасное сечение в заделке и изгибающий момент в опасном се­ чении равен Р-1.

Здесь сразу нельзя применить метод сечений, так как по любую сторону от сечения оказывается несвободная часть балки со связями. В подобных случаях вначале поступаем так, как это делали в статике: отбросим опоры и заменим их реакциями (рис. 219, б). Составив и решив простейшие

309