Допускаемые напряжения для материалов. Коэффициент запаса прочности.
Для обеспечения надежной работы любой конструкции и его долговечности необходимо, чтобы каждый элемент конструкции был гарантирован от разрушения в течении всего периода эксплуатации.
Обладая понятиями о деформации и напряжениях можно сформулировать понятие о прочности конструкции и ее элементов следующим образом. Элемент конструкции будет прочным если напряжения во всех его точках, возникающие от действующих нагрузок, называемые действительными напряжениями, не будут превышать величину, обеспечивающую надежную, безаварийную работу. Кроме того, деформации, возникающие в элементах конструкции от действия заданных нагрузок, очевидно, должны быть только упругими.
Иными словами действительные напряжения должны быть значительно меньше предельных напряжений. Для различных материалов используются различные механические характеристики. Приведем определения основных предельных характеристик.
Предел пропорциональности σпц – наибольшее напряжение, до которого деформации изменяются прямо пропорционально напряжениям.
Пределом упругости σуп – называется напряжение, при котором образец получает весьма малую остаточную деформацию (порядка 0,001-0,005% первоначальной длины образца)
Пределом текучести σт называется напряжение, при котором деформации образца растут без увеличения нагрузки.
Пределом прочности σпч называется напряжение, вызванное наибольшей нагрузкой на образец за время опыта и отнесенное к первоначальному сечению образца.
При расчетах элементов конструкций из хрупких материалов за основную характеристику принимают предел прочности, из пластичных материалов – предел текучести. А так как остаточные деформации возникают за пределом пропорциональности, то во избежание их появления действительные напряжения в сечениях элемента конструкции должны быть еще и ниже предела пропорциональности материала.
Наибольшее напряжение, которое может быть допущено в сечении элемента конструкции для обеспечения его прочности, называется допускаемым напряжением. Оно обозначается той же буквой, что и действительное и заключается в квадратные скобки [σ].
Таким образом, величина допускаемого нормального напряжения должна составлять некоторую часть предела прочности или предела текучести. Число, показывающее, во сколько раз допускаемое напряжение меньше предела прочности или предела текучести, называется коэффициентом запаса прочности и обозначается буквой k или n.
Выбор допустимого напряжения является крайне ответственной и сложной задачей, вследствие того, что приходится учитывать множество различных факторов. Например, очень важное значение имеет род материала. Хрупкие материалы разрушаются внезапно, поэтому коэффициент запаса прочности для них следует назначать больше. Также большую роль играет характер нагрузки. Для элементов, работающих на статическую нагрузку требуется меньший коэффициент запаса, чем для работающих при динамической нагрузке.
Также следует обратить внимание на точность расчетов. Так, например элементы конструкции самолетов требуют повышенной точности расчетов. Это обусловлено необходимостью использования легких материалов и как следствие идти на предельное уменьшение коэффициента запаса прочности.
Немаловажным является технико-экономический фактор, так как увеличение коэффициента запаса приводит к большему расходу материала.
Анализируя перечисленные выше обстоятельства можно сказать, что общих норм допускаемых напряжений не существует. Для каждой области задач существуют свои обязательные для исполнения нормы, если же их нет, руководствуются выше приведенными соображениями, а также накопленным опытом создания аналогичной продукции.