Глава 5. Плоское напряженное состояние

   Рассмотрим важный для приложений случай плоского напряженного состояния, реализуемого, например, в плоскости Oyz. Тензор напряжений в этом случае имеет вид

   Геометрическая иллюстрация представлена на рис. 5.1. При этом площадки х=const являются главными с соответствующими нулевыми главными напряжениями. Инварианты тензора напряжений равны , а характеристическое уравнение принимает вид

Корни этого уравнения равны

(5.1)

Рис. 5.1. Плоское напряженное состояние.

 

Рис. 5.2. Главные напряжения

 

   Произвольная площадка характеризуется углом на рис. 5.1 Нормальное и касательное напряжения на наклонной площадке выражаются через уголследующим образом:

	(5.1)
	(5.2)

   Так как на главных площадках касательное напряжение отсутствует, то, приравнивая нулю выражение (5.2), получим уравнение для определения угла между нормальюп и осью Оу

(5.3)

   Наименьший положительный корень уравнения (5.1) обозначим через . Так как tg(х)—периодическая функция с периодом , то имеем два взаимно ортогональных направления, составляющие углыис осьюОу. Эти направления соответствуют взаимно перпендикулярным главным площадкам (рис. 5.1).

   Если продифференцировать соотношение (5.1) по и приравнять производную нулю, то придем к равенству (5.3).

   Для нахождения ориентации площадок с экстремальными касательными напряжениями приравняем нулю производную от выражения

,

откуда получим

(5.4)

 

Сравнивая соотношения (5.3) и (5.4), находим, что

   Это равенство возможно, если углы иотличаются на угол. Следовательно, направления площадок с экстремальными касательными напряжениями отличаются от направлений главных площадок на угол(рис. 5.3).

Рис. 5.3. Экстремальность касательных напряжений

 

Величины экстремальных касательных напряжений получим после подстановки (5.4) в соотношение (5.2) и используя формулы

.

После некоторых преобразований получим

Сравнивая это выражение с полученными ранее значениями главных напряжений, выразим экстремальные касательные напряжения через главные напряжения

(5.5)

Аналогичная подстановка в (5.1) приводит к выражению для нормальных напряжений на площадках с

(5.6)

Полученные соотношения позволяют проводить расчет конструкций на прочность в случае плоского напряженного состояния.

Глава 6. Упругое деформирование. Обобщённый закон Гука.

   Действие внешних сил на твердое тело приводит к возникновению в точках его объема напряжений и деформаций. При этом напряженное состояние в точке, связь между напряжениями на различных площадках, проходящих через эту точку, определяются уравнениями статики и не зависят от физических свойств материала. Деформированное состояние, связь между перемещениями и деформациями устанавливаются с привлечением геометрических или кинематических соображений и также не зависят от свойств материала. Для того чтобы установить связь между напряжениями и деформациями, необходимо учитывать реальные свойства материала и условия нагружения. Математические модели, описывающие соотношения между напряжениями и деформациями, разрабатываются на основе экспериментальных данных. Эти модели должны с достаточной степенью точности отражать реальные свойства материалов и условия нагружения.

   Наиболее распространенными для конструкционных материалов являются модели упругого тела. Упругость — это свойство тела изменять форму и размеры под действием внешних нагрузок и восстанавливать исходную конфигурацию при снятии нагрузок. Математически свойство упругости выражается в установлении взаимно однозначной функциональной зависимости между компонентами тензора напряжений и тензора деформаций. Свойство упругости отражает не только свойства материалов, но и условия нагружения. Для большинства конструкционных материалов свойство упругости проявляется при умеренных значениях внешних сил, приводящих к малым деформациям, и при малых скоростях нагружения, когда потери энергии за счет температурных эффектов пренебрежимо малы. Материал называется линейно-упругим, если компоненты тензора напряжений и тензора деформаций связаны линейными соотношениями (Закон Гука).

   Пусть материал является линейно-упругим и изотропным. Рассмотрим элементарный объем, находящийся в условиях одноосного напряженного состояния (рис. 6.1), так что тензор напряжений имеет вид

   При таком нагружении происходит увеличение размеров в направлении оси Ох, характеризуемое линейной деформацией , которая пропорциональна величине напряжения

(6.1)

Рис. 6.1. Одноосное напряженное состояние

 

   В гл. 2 отмечалось, что это соотношение является математической записью закона Гука, устанавливающего пропорциональную зависимость между напряжением и соответствующей линейной деформацией при одноосном напряженном состоянии. Коэффициент пропорциональности E называется модулем упругости или модулем Юнга. Он имеет размерность напряжений.

   Наряду с увеличением размеров в направлении действия силы происходит уменьшение размеров в двух ортогональных направлениях (рис. 6.1). Соответствующие деформации обозначим через и , причем эти деформации отрицательны при положительныхи пропорциональны:

(6.2)

   Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом Пуассона, который в силу изотропности материала одинаков для обоих ортогональных направлений.

Соотношения, аналогичные (6.1) и (6.2), в случае одноосного нагружения в направлении осей Y и X соответственно имеют вид

	(6.3)
	(6.4)

   При одновременном действии напряжений по трем ортогональным осям, когда отсутствуют касательные напряжения, для линейно-упругого материала справедлив принцип суперпозиции (наложения решений):

С учетом формул (6.1) – (6.4) получим

(6.5)

   Касательные напряжения вызывают угловые деформации, причем при малых деформациях они не влияют на изменение линейных размеров, и следовательно, на линейные деформации. Поэтому они справедливы также в случае произвольного напряженного состояния и выражают так называемый обобщенный закон Гука.

   Угловая деформация обусловлена касательным напряжением, а деформациии— соответственно напряжениямии. Между соответствующими касательными напряжениями и угловыми деформациями для линейно-упругого изотропного тела существуют пропорциональные зависимости

которые выражают закон Гука при сдвиге. Коэффициент пропорциональности G называется модулем сдвига. Существенно, что нормальное напряжение не влияет на угловые деформации, так как при этом изменяются только линейные размеры отрезков, а не углы между ними (рис. 6.1).

   Линейная зависимость существует также между средним напряжением, пропорциональным первому инварианту тензора напряжений, и объемной деформацией, совпадающей с первым инвариантом тензора деформаций:

(6.6)

Рис. 6.2. Плоская деформация сдвига

 

Соответствующий коэффициент пропорциональности К называется объемным модулем упругости.

   В формулы (6.1) – (6.6) входят упругие характеристики материала Е, ,G и К, определяющие его упругие свойства. Однако эти характеристики не являются независимыми. Для изотропного материала независимыми упругими характеристиками являются две, в качестве которых обычно выбираются модуль упругости Е и коэффициент Пуассона . Чтобы выразить модуль сдвигаG через Е и , рассмотрим плоскую деформацию сдвига под действием касательных напряжений (рис. 6.2). Для упрощения выкладок используем квадратный элемент со сторонойа. Вычислим главные напряжения , . Эти напряжения действуют на площадках, расположенных под углом к исходным площадкам. Из рис. 6.2 найдем связь между линейной деформациейв направлении действия напряженияи угловой деформацией. Большая диагональ ромба, характеризующая деформацию , равна

Для малых деформаций

С учетом этих соотношений

До деформации эта диагональ имела размер . Тогда будем иметь

Из обобщенного закона Гука (6.5) получим

откуда

Сравнение полученной формулы с записью закона Гука при сдвиге дает

Сложим три соотношения упругости (6.5)

(6.7)

В итоге получим

Сравнивая это выражение с объемным законом Гука (6.6), приходим к результату

   Механические характеристики Е, , G и К находятся после обработки экспериментальных данных испытаний образцов на различные виды нагрузок. Из физического смысла все эти характеристики не могут быть отрицательными. Кроме того, из последнего выражения следует, что коэффициент Пуассона для изотропного материала не превышает значения 1/2. Таким образом, получаем следующие ограничения для упругих постоянных изотропного материала:

   Предельное значение приводит к предельному значению, что соответствует несжимаемому материалу. Выразим из соотношений упругости напряжения через деформации. Запишем первое из соотношений (6.5) в виде

С использованием равенства (6.7) будем иметь

откуда

Аналогичные соотношения можно вывести для и. В результате получим

(6.8)

Здесь использовано соотношение для модуля сдвига. Кроме того, введено обозначение

 

ЭНЕРГИЯ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ

   Рассмотрим вначале элементарный объем dV=dxdydz в условиях одноосного напряженного состояния (рис. 6.1). Мысленно закрепим площадку х=0. На противоположную площадку действует сила . Эта сила совершает работу на перемещении . При увеличении напряжения от нулевого уровня до значения соответствующая деформация в силу закона Гука также увеличивается от нуля до значения , а работа пропорциональна заштрихованной на рис. 4 площади: . Если пренебречь кинетической энергией и потерями, связанными с тепловыми, электромагнитными и другими явлениями, то в силу закона сохранения энергии совершаемая работа перейдет впотенциальную энергию, накапливаемую в процессе деформирования: . Величина Ф=dU / dV называется удельной потенциальной энергией деформации, имеющей смысл потенциальной энергии, накопленной в единице объема тела. В случае одноосного напряженного состояния

Рис. 6.3. Расчетная схема энергии деформации

 

Рис. 6.4. Линейный закон

 

   При одновременном действии напряжений ,и на главных площадках (т. е. при отсутствии касательных напряжений) потенциальная энергия равна сумме работ, совершаемых силамина соответствующих перемещениях. Удельная потенциальная энергия равна

.

Рис. 6.5. Расчетная схема энергии сдвига

 

   В частном случае чистого сдвига в плоскости Оху, изображенном на рис. 5, сила совершает работу на перемещении. Соответствующая этому случаю удельная потенциальная энергия деформации равна

Подобные соотношения будут иметь место при сдвиге в других плоскостях.

В общем случае напряженно-деформированного состояния будем иметь

(6.9)

   Если деформации выразить через напряжения с помощью соотношений упругости, то получим эквивалентную форму записи через компоненты тензора напряжений

(6.10)

   Выразив напряжения через деформации с использованием закона Гука, получим еще одну форму записи для Ф — через компоненты тензора деформаций