Изгиб с кручением бруса прямоугольного сечения. Изгиб с кручением круглого бруса. Формулы для расчета эквивалентных напряжений

Введение.

Изгиб - вид деформации, характеризующийся искривлением (изменением кривизны) оси или срединной поверхности деформируемого объекта (бруса, балки, плиты, оболочки и др.) под действием внешних сил или температуры. Изгиб связан с возникновением в поперечных сечениях бруса изгибающих моментов. Если из шести внутренних силовых факторов в сечении бруса отличным от нуля является только один изгибающий момент, изгиб называется чистым:

Если в поперечных сечениях бруса кроме изгибающего момента действует также поперечная сила – изгиб называется поперечным:

В инженерной практике рассматривается также особый случай изгиба- продольный И. (рис. 1 , в), характеризующийся выпучиванием стержня под действием продольных сжимающих сил. Одновременное действие сил, направленных по оси стержня и перпендикулярно к ней, вызывает продольно-поперечный изгиб (рис. 1 , г).

Рис. 1. Изгиб бруса: а - чистый: б - поперечный; в - продольный; г - продольно-поперечный.

Брус, работающий на изгиб, называется балкой. Изгиб называется плоским, если ось балки после деформации остается плоской линией. Плоскость расположения изогнутой оси балки называется плоскостью изгиба. Плоскость действия нагрузочных сил называется силовой плоскостью. Если силовая плоскость совпадает с одной из главных плоскостей инерции поперечного сечения, изгиб называется прямым. (В противном случае имеет место косой изгиб). Главная плоскость инерции поперечного сечения - это плоскость, образованная одной из главных осей поперечного сечения с продольной осью бруса. При плоском прямом изгибе плоскость изгиба и силовая плоскость совпадают.

Задача о кручении и изгибе бруса (задача Сен-Венана) имеет большой практический интерес. Приложение теории изгиба, установленной Навье, составляет обширный отдел строительной механики и имеет громадное практическое значение, так как оно служит основанием для расчета размеров и поверки прочности разнообразных частей сооружений: балок, мостов, элементов машин и пр.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ЗАДАЧИ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ

§ 1. основные уравнения

Вначале дадим общую сводку основных уравнений для задач рав­новесия упругого тела, которые составляют содержание раздела тео­рии упругости, называемого обычно статикой упругого тела.

Деформированное состояние тела вполне определяется тензором поля деформации или полем перемещений Компоненты тензора деформации связаны с перемещениями дифференциальными зависимостями Коши:

(1)

Компоненты тензора деформации должны удовлетворять дифферен­циальным зависимостям Сен-Венана:

которые являются необходимыми и достаточными условиями интег­рируемости уравнений (1).

Напряженное состояние тела определяется тензором поля напря­жений Шесть независимых компонент симметричного тензора () должны удовлетворять трем дифференциальным уравне­ниям равновесия:

Компоненты тензора напряжений и перемещения связаны шестью уравнениями закона Гука:

некоторых случаях уравнения закона Гука приходится исполь­зовать в виде формулы

, (5)

Уравнения (1)-(5) являются основными уравнениями стати­ческих задач теории упругости. Иногда уравнения (1) и (2) называют геометрическими уравнениями, уравнения (3) - статиче­скими уравнениями, а уравнения (4) или (5) - физическими урав­нениями. К основным уравнениям, определяющим состояние линейно-упруго­го тела в его внутренних точках объема , необходимо присоединить условия на его поверхности Эти условия называются граничными условиями. Они определяются либо заданными внешними поверхност­ными силами либо заданными перемещениями точек поверх­ности тела. В первом случае граничные условия выражаются равен­ством:

где - компоненты вектора t поверхностной силы, - компо­ненты единичного вектора п , направленного по внешней нормали к поверхности в рассматриваемой ее точке.

Во втором случае граничные условия выражаются равенством

где - заданные на поверхности функции.

Граничные условия могут также иметь смешанный характер, когда на одной части поверхности тела заданы внешние поверхностные си­лы а на другой части поверхности тела заданы перемещения:

Возможны и иного рода граничные условия. Например, на некото­ром участке поверхности тела заданы только некоторые компоненту вектора перемещения и, кроме того, также не все компоненты вектора поверхностной силы.

§ 2. основные задачи статики упругого тела

В зависимости от вида граничных условий различают три типа ос­новных статических задач теории упругости.

Основная задача первого типа состоит в опре­делении компонент тензора поля напряжений внутри области , занятой телом, и компонент вектора перемещения точек внутри области и точек поверхности тела по заданным массовым силам и поверхностным силам

Искомые девять функций должны удовлетворять основным уравне­ниям (3) и (4), а также граничным условиям (6).

Основная задача второго типа состоит в опреде­лении перемещений точек внутри области и компонент тензо­ра поля напряжений по заданным массовым силам и по за­данным перемещениям на поверхности тела.

Искомые функции и должны удовлетворять основным уравнениям (3) и (4) и граничным условиям (7).

Заметим, что граничные условия (7) отражают требование о непре­рывности определяемых функций на границе тела, т. е. когда внутренняя точка стремится к некоторой точке поверхности , функция должна стремиться к заданному значению в данной точке поверхности.

Основная задача третьего типа или смешан­ная задача состоит в том, что по заданным поверхностным си­лам на одной части поверхности тела и по заданным переме­щениям на другой части поверхности тела а также, вообще говоря, по заданным массовым силам требуется определить компо­ненты тензора напряжений и перемещения , удовлетво­ряющие основным уравнениям (3) и (4) при выполнении смешан­ных граничных условий (8).

Получив решение данной задачи, можно определить, в частности, усилия связей на , которые должны быть приложены в точках по­верхности , чтобы реализовать заданные перемещения на этой поверхности, а также можно вычислить перемещения то­чек поверхности . Курсовая работа >> Промышленность, производство

По длине бруса , то брус деформируется. Деформация бруса сопровождается одновременно... древесных, полимерных и др. При изгибе бруса , лежащего на двух опорах, ... изгибе будет характеризоваться стрелой прогиба. При этом напряжения сжатия в вогнутой части бруса ...

Сочетание изгиба и кручения брусьев круглого поперечного сечения наиболее часто рассматривается при расчете валов. Значительно реже встречаются случаи изгиба с кручением брусьев некруглого сечения.

В § 1.9 установлено, что в случае, когда моменты инерции сечения относительно главных осей равны между собой, косой изгиб бруса невозможен. В связи с этим невозможен косой изгиб брусьев круглого сечения. Поэтому в общем случае действия внешних сил брус круглого сечения испытывает сочетание следующих видов деформации: прямого поперечного изгиба, кручения и центрального растяжения (или сжатия).

Рассмотрим такой частный случай расчета бруса круглого сечения, когда в его поперечных сечениях продольная сила равна нулю. В этом случае брус работает на совместное действие изгиба и кручения. Для отыскания опасной точки бруса необходимо установить, как изменяются по длине бруса величины изгибающих и крутящих моментов, т. е. построить эпюры полных изгибающих моментов М и крутящих моментов Построение этих эпюр рассмотрим на конкретном примере вала, изображенного на рис. 22.9, а. Вал опирается на подшипники А и В и приводится во вращение двигателем С.

На вал насажены шкивы Е и F, через которые перекинуты приводные ремни, имеющие натяжения . Предположим, что вал вращается в подшипниках без трения; собственным весом вала и шкивов пренебрегаем (в случае, когда их собственный вес значителен, его следует учесть). Направим ось у поперечного сечения вала вертикально, а ось - горизонтально.

Величины сил можно определить с помощью формул (1.6) и (2.6), если, например, известны мощность, передаваемая каждым шкивом, угловая скорость вала и соотношения После определения величин сил эти силы переносят параллельно самим себе к продольной оси вала. При этом к валу в сечениях, в которых расположены шкивы Е и F, прикладываются скручивающие моменты и равные соответственно Эти моменты уравновешиваются моментом передаваемым от двигателя (рис. 22.9, б). Затем силы раскладывают на вертикальные и горизонтальные составляющие. Вертикальные силы вызовут в подшипниках вертикальные реакции а горизонтальные силы - горизонтальные реакции Величины этих реакций определяются, как для балки, лежащей на двух опорах.

Эпюра изгибающих моментов действующих в вертикальной плоскости, строится от вертикальных сил (рис. 22.9, в). Она показана на рис. 22.9, г. Аналогично от горизонтальных сил (рис. 22.9, д) строится эпюра изгибающих моментов действующих в горизонтальной плоскости (рис. 22.9, е).

По эпюрам можно определить (в любом поперечном сечении) полный изгибающий момент М по формуле

По значениям М, полученным с помощью этой формулы, строится эпюра полных изгибающих моментов (рис. 22.9, ж). На тех участках вала, на которых прямые, ограничивающие эпюры пересекают оси эпюр в точках, расположенных на одной вертикали, эпюра М ограничена прямыми, а на остальных участках она ограничена кривыми.

(см. скан)

Например, на участке рассматриваемого вала длиной эпюра М ограничена прямой (рис. 22.9, ж), так как эпюры на этом участке ограничены прямыми и , пересекающими оси эпюр в точках расположенных на одной вертикали.

На той же вертикали расположена и точка О пересечения прямой с осью эпюры. Аналогичное положение характерно и для участка вала длиной

Эпюра полных (суммарных) изгибающих моментов М характеризует величину этих моментов в каждом сечении вала. Плоскости действия этих моментов в различных сечениях вала различны, но ординаты эпюры условно для всех сечений совмещены с плоскостью чертежа.

Эпюра крутящих моментов строится так же, как и при чистом кручении (см. § 1.6). Для рассматриваемого вала она показана на рис. 22.9, з.

Опасное сечение вала устанавливается с помощью эпюр полных изгибающих моментов М и крутящих моментов Если в сечении бруса постоянного диаметра с наибольшим изгибающим моментом М действует и наибольший крутящий момент то это сечение является опасным. В частности, у рассматриваемого вала таким является сечение, расположенное правее шкива F на бесконечно малом расстоянии от него.

Если же наибольший изгибающий момент М и наибольший крутящий момент действуют в разных поперечных сечениях, то опасным может оказаться сечение, в котором ни величина ни не является наибольшей. При брусьях переменного диаметра наиболее опасным может оказаться сечение, в котором действуют значительно меньшие изгибающие и крутящие моменты, чем в других сечениях.

В случаях, когда опасное сечение нельзя установить непосредственно по эпюрам М и приходится проверять прочность бруса в нескольких его сечениях и таким путем устанавливать опасные напряжения.

После того как установлено опасное сечение бруса (или намечено несколько сечений, одно из которых может оказаться опасным), необходимо найти в нем опасные точки. Для этого рассмотрим напряжения, возникающие в поперечном сечении бруса, когда в нем одновременно действуют изгибающий момент М и крутящий момент

В брусьях круглого сечения, длина которых во много раз больше диаметра, величины наибольших касательных напряжений от поперечной силы невелики и при расчете прочности брусьев на совместное действие изгиба и кручения не учитываются.

На рис. 23.9 показано поперечное сечение круглого бруса. В этом сечении действуют изгибающий момент М и крутящий момент За ось у принята ось, перпендикулярная плоскости действия изгибающего момента ось у является, таким образом, нейтральной осью сечения.

В поперечном сечении бруса возникают нормальные напряжения о от изгиба и касательные напряжения от кручения.

Нормальные напряжения а определяются по формуле Эпюра этих напряжений показана на рис. 23.9. Наибольшие по абсолютной величине нормальные напряжения возникают в точках А и В. Эти напряжения равны

где - осевой момент сопротивления поперечного сечения бруса.

Касательные напряжения определяются по формуле Эпюра этих напряжений показана на рис. 23.9.

В каждой точке сечения они направлены по нормали к радиусу, соединяющему эту точку с центром сечения. Наибольшие касательные напряжения возникают в точках, расположенных по периметру сечения; они равны

где полярный момент сопротивления поперечного сечения бруса.

При пластичном материале точки А и В поперечного сечения, в которых одновременно и нормальные и касательные напряжения достигают наибольшего значения, являются опасными. При хрупком материале опасной является та из этих точек, в которой от изгибающего момента М возникают растягивающие напряжения.

Напряженное состояние элементарного параллелепипеда, выделенного в окрестности точки А, изображено на рис. 24.9, а. По граням параллелепипеда, совпадающим с поперечными сечениями бруса, действуют нормальные напряжения и касательные . На основании закона парности касательных напряжений напряжения возникают также на верхней и нижней гранях параллелепипеда. Остальные две грани его свободны от напряжений. Таким образом, в данном случае имеется частный вид плоского напряженного состояния, подробно рассмотренного в гл. 3. Главные напряжения атах и определяются по формулам (12.3).

После подстановки в них значения получаем

Напряжения имеют разные знаки и, следовательно,

Элементарный параллелепипед, выделенный в окрестности точки А главными площадками, показан на рис. 24.9, б.

Расчет брусьев на прочность при изгибе с кручением, как уже отмечалось (см. начало § 1.9), производится с применением теорий прочности. При этом расчет брусьев из пластичных материалов выполняется обычно на основе третьей или четвертой теории прочности, а из хрупких - по теории Мора.

По третьей теории прочности [см. формулу (6.8)], подставив в это неравенство выражения [см. формулы (23.9)], получим

Пространственным изгибом называется такой вид сложного сопротивления, при котором в поперечном сечении бруса действуют только изгибающие моменты и
. Полный изгибающий момент при этом действует ни в одной из главных плоскостей инерции. Продольная сила отсутствует. Пространственный или сложный изгиб часто называютнеплоским изгибом , так как изогнутая ось стержня не является плоской кривой. Такой изгиб вызывается силами, действующими в разных плоскостях перепендикулярно оси балки (Рис.12.4).

Следуя порядку решения задач при сложном сопротивлении, изложенному выше, раскладываем пространственную систему сил, паредставленную на рис. 12.4, на две такие, чтобы каждая из них действовала в одной из главных плоскостей. В результате получаем два плоских поперечных изгиба – в вертикальной и горизонтальной плоскости. Из четырех внутренних силовых факторов, которые при этом возникают в поперечном сечении балки
, будем учитывать влияние только изгибающих моментов
. Строим эпюры
, вызванных соответственно силами
(Рис.12.4).

Анализируя эпюры изгибающих моментов, приходим к выводу, что опасным является сечение А, так как именно в этом сечении возникают наибольшие по величине изгибающие моменты
и
. Теперь необходимо установить опасные точки сечения А. Для этого построим нулевую линию. Уравнение нулевой линии с учетом правила знаков для членов, входящих в это уравнение, имеет вид:

. (12.7)

Здесь принят знак “”возле второго члена уравнения, так как напряжения в первой четверти, вызванные моментом
, будут отрицательными.

Определим угол наклона нулевой линии с положительным направлением оси(Рис.12.6):

. (12.8)

Из уравнения (12.7) следует, что нулевая линия при пространственном изгибе является прямой линией и проходит через центр тяжести сечения.

Из рис.12.5 видно, что наибольшие напряжения возникнут в наиболее удаленных от нулевой линии точках сечения №2 и №4. По величине нормальные напряжения в этих точках будут одинаковами, но по знаку отличаются: в точке №4 напряжения будут положительными, т.е. растягивающими, в точке №2 – отрицательными, т.е. сжимающими. Знаки этих напряжений были установлены из физических соображений.

Теперь, когда опасные точки установлены, вычислим максимальные напряжения в сечении А и проверим прочность балки с помощью выражения:

. (12.9)

Условие прочности (12.9) позволяет не только выполнить проверку прочности балки, но и подобрать размеры ее поперечного сечения, если задано соотношение сторон поперечного сечения.

12.4. Косой изгиб

Косым называется такой вид сложного сопротивления, при котором в поперечных сечениях балки возникают только изгибающие моменты
и
, но в отличие от пространственного изгиба все силы, приложенные к балке, действуют в одной (силовой) плоскости, не совпадающей ни с одной из главных плоскостей инерции. Этот вид изгиба наиболее часто встречается в практике, поэтому исследуем его подробнее.

Рассмотрим консольную балку, нагруженную силой , как показано на рис 12.6, и выполненную из изотропного материала.

Так же, как и при пространственном изгибе, при косом изгибе отсутствует продольная сила. Влиянием поперечных сил при расчете балки на прочность будем пренебрегать.

Расчетная схема балки, изображенной на рис.12.6, приведена на рис.12.7.

Разложим силу на вертикальнуюи горизонтальнуюсоставляющие и от каждой из этих составляющих построим эпюры изгибающих моментов
и
.

Вычислим составляющие полного изгибающего момента в сечении :

;
.

Полный изгибающий момент в сечении равен

Таким образом, составляющие полного изгибающего момента можно выразить через полный момент следующим образом:

;
. (12.10)

Из выражения (12.10) видно, что при косом изгибе нет необходимости раскладывать систему внешних сил на составляющие, так как эти составляющие полного изгибающего момента связаны друг с другом с помощью угла наклона следа силовой плоскости . В результате отпадает необходимость в построении эпюр составляющих
и
полного изгибающего момента. Достаточно построить эпюру полного изгибающего момента
в силовой плоскости, а затем, воспользовавшись выражением (12.10), определить составляющие полного изгибающего момента в любом интересующем нас сечении балки. Полученный вывод существенно упрощает решение задач при косом изгибе.

Подставим значения составляющих полного изгибающего момента (12.10) в формулу для нормальных напряжений (12.2) при
. Получим:

. (12.11)

Здесь знак “” возле полного изгибающего момента проставлен специально с той целью, чтобы автоматически получать правильный знак нормального напряжения в рассматриваемой точке поперечного сечения. Полный изгибающий момент
и координаты точкииберутся со своими знаками при условии, что в первом квадранте знаки координат точки принимаются положительными.

Формула (12.11) была получена из рассмотрения частного случая косого изгиба балки, защемленной одним концом и нагруженной на другом сосредоточенной силой. Тем не менее, эта формула является общей формулой для вычисления напряжений при косом изгибе.

Опасным сечением, как и при пространственном изгибе в рассматриваемом случае (Рис.12.6), будет сечение А, так как в этом сечении возникает наибольший по величине полный изгибающий момент. Опасные точки сечения А определим, построив нулевую линию. Уравнение нулевой линии получим, вычислив с помощью формулы (12.11) нормальные напряжения в точке с координатами и, принадлежащей нулевой линии и приравняем найденные напряжения нулю. После несложных преобразований получим:

(12.12)

. (12.13)

Здесь угол наклона нулевой линии к оси(Рис.12.8).

Исследуя уравнения (12.12) и (12.13), можно сделать некоторые выводы о поведении нулевой линии при косом изгибе:

Из рис.12.8 следует, что наибольшие по величине напряжения возникают в точках сечения, наиболее удаленных от нулевой линии. В рассматриваемом случае такими точками являются точки №1 и №3. Таким образом, при косом изгибе условие прочности имеет вид:

. (12.14)

Здесь:
;
.

Если моменты сопротивления сечения относительно главных осей инерции могут быть выражены через размеры сечения, условие прочности удобно использовать в таком виде:

. (12.15)

При подборе сечений один из осевых моментов сопротивления выносят за скобку и задаются отношением . Зная
,
и угол, путем последовательных попыток определяют значения
и, удовлетворяющие условию прочности

. (12.16)

Для несимметричных сечений, не имеющих выступающих углов, используется условие прочности в виде (12.14). В этом случае при каждой новой попытке подбора сечения необходимо предварительно вновь найти положение нулевой линии и координаты наиболее удаленной точки (
). Для прямоугольного сечения
. Задаваясь отношением, из условия прочности (12.16) легко можно найти величину
и размеры поперечного сечения.

Рассмотрим определение перемещений при косом изгибе. Найдем прогиб в сечении консольной балки (Рис.12.9). Для этого изобразим балку в единичном состоянии и построим эпюру единичных изгибающих моментов в одной из главных плоскостей. Будем определять полный прогиб в сечении, предварительно определив проекции вектора перемещенийна осии. Проекцию вектора полного прогиба на осьнайдем, воспользовавшись формулой Мора:

Проекцию вектора полного прогиба на ось найдем аналогичным способом:

Полный прогиб определим по формуле:

. (12.19)

Следует обратить внимание, что при косом изгибе в формулах (12.17) и (12.18) при определении проекций прогиба на оси координат меняются лишь постоянные члены, стоящие перед знаком интеграла. Сам же интеграл остается постоянным. При решении практических задач будем вычислять этот интеграл, пользуясь методом Мора-Симпсона. Для этого умножим единичную эпюру
на грузовую
(Рис.12.9), построенную в силовой плоскости, а затем полученный результат умножим последовательно на постоянные коэффициенты, соответственно,и. В результате получим проекции полного прогибаина оси координати. Выражения для проекций прогиба для общего случая нагружения, когда балка имеетучастков, будут иметь вид:

; (12.20)

. (12.21)

Отложим найденные значения для ,и(Рис.12.8). Вектор полного прогибасоставляет с осьюострый угол, величин которого можно найти по формуле:

, (12.22)

. (12.23)

Сравнивая уравнение (12.22) с уравнением нулевой линии (12.13), приходим к выводу, что

или
,

откуда следует, что нулевая линия и вектор полного прогиба взаимно перепедикулярны. Уголявляется дополнением угладо 90 0 . Это условие может быть использовано для проверки при решении задач на косой изгиб:

. (12.24)

Таким образом, направление прогибов при косом изгибе перпендикулярно нулевой линии. Отсюда вытекает важное условие, что направление прогибов не совпадает с направлением действующей силы (Рис.12.8). Если нагрузка представляет собой плоскую систему сил, то ось изогнутой балки лежить в плоскости, которая не совпадает с плоскостью действия сил. Балка перекашивается по отношению к силовой плоскости. Это обстоятельство послужило основанием для того, что подобный изгиб стали называтькосым .

Пример 12.1. Определить положение нулевой линии (найти угол) для поперечного сечения балки, изображенной на рис.12.10.

1. Угол до следа силовой плоскостибудем откладывать от положительного направления оси. Уголвсегда будем брать острым, но с учетом знака. Любой угол считается положительным, если в правой системе координат его откладывают от положительного направления осипротив часовой стрелки, и отрицательным, если угол откладывают по часовой стрелке. В данном случае уголсчитается отрицательным (
).

2. Определяем отношение осевых моментов инерции:

.

3. Записывем уравнение нулевой линии при косом изгибе в виде, откуда находим угол :

;
.

4. Угол оказался положительным, поэтому откладываем его от положительного направление осипротив часовой стрелки до нулевой линии (Рис.12.10).

Пример 12.2. Определить величину нормального напряжения в точке А поперечного сечения балки при косом изгибе, если изгибающий момент
кНм, координаты точки
см,
см. Размеры поперечного сечения балки и угол наклона силовой плоскостиприведены на Рис.12.11.

1. Вычислим предварительно моменты инерции сечения относительно осей и:

см 4 ;
см 4 .

2. Запишем формулу (12.11) для определения нормальных напряжений в произвольной точке поперечного сечения при косом изгибе. При подстановке значения изгибающего момента в формулу (12.11) следует учесть, что изгибающий момент по условию задачи положительный.

7,78 МПа.

Пример 12.3. Определить размеры поперечного сечения балки, изображенной на рис.12.12а. Материал балки – сталь с допускаемом напряжением
МПа. Отношение сторон задается
. Нагрузки и угол наклона силовой плоскостиприведены на рис.12.12в.

1. Для определения положения опасного сечения строим эпюру изгибающих моментов (Рис.12.12б). Опасным является сечение А. Максимальный изгибающий момент в опасном сечении
кНм.

2. Опасной точкой а сечении А будет одна из угловых точек. Условие прочности запишем в виде

,

Откуда найдем, учитывая, что отношение
:

3. Определяем размеры поперечного сечения. Осевой момент сопротивления
с учетом отношения сторон
равен:

см 3 , откуда

см;
см.

Пример 12.4. В результате изгиба балки центр тяжести сечения переместился в направлении, определяемом угломс осью(Рис.12.13,а). Определить угол наклонасиловой плоскости. Форма и размеры поперечного сечения балки приведены на рисунке.

1. Для определения угла наклона следа силовой плоскости воспользуемся выражением (12.22):

, откуда
.

Отношение моментов инерции
(см. пример 12.1). Тогда

.

Отложим это значение угла от положительного направления оси(Рис.12.13,б). След силовой плоскости на рис 12.13,б показан шриховой линией.

2. Выполним проверку полученного решения. Для этого при найденном значении угла определим положение нулевой линии. Воспользуемся выражением (12.13):

.

Нулевая линия показана на рис.12.13 шрих-пунктирной линией. Нулевая линия должна быть перпендикулярной линии прогибов. Проверим это:

Пример 12.5. Определить полный прогиб балки в сечении В при косом изгибе (Рис.12.14а). Материал балки – сталь с модулем упругости
МПа. Размеры поперечного сечения и угол наклона силовой плоскостиприведены на рис.12.14б.

1. Определим проекции вектора полного прогиба в сечении Аи. Для этого построим грузовую эпюру изгибающих моментов
(Рис.12.14,в), единичную эпюру
(Рис.12.14,г).

2. Применяя метод МораСимпсона, перемножим грузовую
и единичную
эпюры изгибающих моментов, используя выражения (12.20) и (12.21):

м
мм.

м
мм.

Осевые моменты инерции сечения
см 4 и
см 4 берем из примера 12.1.

3. Определяем полный прогиб сечения В:

.

Найденные значения проекций полного прогиба и сам полный прогиб откладываем на чертеже (Рис.12.14б). Так как проекции полного прогиба получились при решении задачи положительными, откладывем их в направлении действия единичной силы, т.е. вниз () и влево ().

5. Для проверки правильности решения определим угол наклона нулевой линии к оси :

Сложим модули углов направления полного прогиба и:

Это означает, что полный прогиб перпендикулярен нулевой линии. Таким образом, задача решена верно.

Такое сочетание внутренних силовых факторов характерно при расчете валов. Задача является плоской, поскольку понятие «косой изгиб» для бруса круглого поперечного сечения, у которого любая центральная ось является главной- неприменимо. В общем случае действия внешних сил такой брус ис-пытывает сочетание следующих видов деформации: прямого поперечного изгиба, кручения и центрального растяжения (сжатия). На рис. 11.5 показан брус, нагруженный внешними силами, вызывающими все четыре вида дефор-мации.

Эпюры внутренних усилий позволяют выявить опасные сечения, а эпюры напряжений – опасные точки в этих сечениях. Касательные напряжения от поперечных сил достигают своего максимума на оси бруса и незначительны для бруса сплошного сечения и ими можно пренебречь, по сравнению с касательными напряжениями от кручения, достигающих своего максимума в периферийных точках (точка В).

Опасным является сечение в заделке, где одновременно имеют большое значение продольная и поперечная силы, изгибающий и крутящий моменты.

Опасной точкой в этом сечении, будет точка, где σ х и τ ху достигают значитель-ной величины (точка В). В этой точке действует наибольшее нормальное на-пряжение от изгиба и касательное напряжение от кручения, а также нормальное напряжение от растяжения

Определив главные напряжения по формуле:

находим σ red =

(при использовании критерия наибольших касательных напряжений m = 4, при использовании критерия удельной энергии изменения формы m = 3).

Подставив выражения σ α и τ ху, получаем:

или с учётом того, что W р =2 W z , A= (см. 10.4),

В случае, если вал испытывает изгиб в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в формулу вместо М z надо подставить M tot =

Приведенное напряжение σ red не должно превышать допускаемого напряжения σ adm , определённого при испытаниях при линейном напряжённом состоянии с учётом коэффициента запаса прочности. При заданных размерах и допускаемых напряжениях выполняют поверочный расчёт, Размеры необхо-димые для обеспечения безопасной прочности находят из условия

11.5. Расчёт безмоментных оболочек вращения

В технике широко применяются элементы конструкций, которые с точки зрения расчета на прочность и жесткость могут быть отнесены к тонким оболо-чкам. Принято считать оболочку тонкой, если отношение ее толщины к габа-ритному размеру меньше 1/20. Для тонких оболочек применима гипотеза пря-мых нормалей: отрезки нормали к срединной поверхности остаются прямыми и нерастяжимыми после деформирования. В этом случае имеет место линейное распределение деформаций, а следовательно и нормальных напряжений (при малых упругих деформациях) по толщине оболочки.

Поверхность оболочки получают вращением плоской кривой вокруг оси, лежащей в плоскости кривой. Если кривую заменить прямой линией, то при вращении ее параллельно оси получается круговая цилиндрическая оболочка, а при вращении под углом к оси - коническая.

В расчетных схемах оболочку представляют ее срединной поверхностью (равноудаленной от лицевых). Срединную поверхность обычно связывают с криволинейной ортогональной системой координаты Ө и φ. Углом θ () определяется положение параллели линии пересечения середин-ной поверхности с плоскостью, проходящей нормально к оси вращения.

Рис.11.6 Рис. 11.7

Через нормаль с серединой поверхности можно провести множество пло-скостей, которые будут нормальны к ней и в сечениях с ней образовывать ли-нии с разными радиусами кривизны. Два из этих радиусов имеют экстремаль-ное значения. Линии, которым они соответствуют, называются линиями главных кривизн. Одна из линий является меридианом, её радиус кривизны обозначим r 1 . Радиус кривизны второй кривой – r 2 (центр кривизны лежит на оси вращения). Центры радиусов r 1 и r 2 могут совпадать (сферическая оболоч-ка), лежать по одну или по разные стороны срединной поверхности, один из центров может уходить в бесконечность (цилиндрическая и коническая оболоч-ки).

При составлении основных уравнений усилия и перемещения относим к нормальным сечениям оболочки в плоскостях главных кривизн. Составим ура-внения для внутренних усилий. Рассмотрим бесконечно малый элемент оболо-чки (рис. 11.6), вырезанный двумя смежными меридиональными плоскостями (с углами θ и θ+dθ) и двумя смежными параллельными кругами, нормальными к оси вращения (с углами φ и φ+dφ). В качестве системы осей проекций и моментов избираем прямоугольную систему осей x , y , z . Ось y направлена по касательной к меридиану, ось z – по нормали.

В силу осевой симметрии (нагрузка P=0) на элемент будут действовать только нормальные усилия. N φ - погонное меридиональное усилие, направлен-ное по касательной к меридиану: N θ - погонное кольцевое усилие, направлен-ное по касательной к окружности. Уравнение ΣХ=0 обращается в тождество. Спроектируем все силы на ось z :

2N θ r 1 dφsinφ+r o dθdφ+P z r 1 dφr o dθ=0.

Если пренебречь бесконечно малой величиной высшего порядка ()r o dθ dφ и разделить уравнение на r 1 r o dφ dθ, то принимая во внима-ние, что получим уравнение, принадлежащее П. Лапласу:

Вместо уравнения ΣY=0 для рассматриваемого элемента составим урав-нение равновесия верхней части оболочки (рис. 11.6). Спроектируем все силы на ось вращения:

uде: R v - вертикальная проекция равнодействующей внешних сил, приложенных к отрезанной части оболочки. Итак,

Подставив значения N φ в уравнение Лапласа, найдём N θ . Определение усилий в оболочке вращения по безмоментной теории представляет собой статически определимую задачу. Это стало возможным в результате того, что мы сразу постулировали закон изменения напряжений по толщине оболочки – считали их постоянными.

В случае сферического купола имеем r 1 = r 2 = r и r о = r. Если нагрузка задана в виде интенсивности P на горизонтальную проекцию оболочки, то

Таким образом, в меридиональном направлении купол равномерно сжат. Составляющие поверхностной нагрузки вдоль нормали z равна P z =P. Подставляем значения N φ и P z в уравнение Лапласа и находим из него:

Кольцевые сжимающие усилия достигают максимума в вершине купола при φ = 0. При φ = 45 º - ­­N θ =0; при φ > 45- N θ =0 становится растягивающим и достигает максимума при φ = 90.

Горизонтальная составляющая меридионального усилия равна:

Рассмотрим пример расчёта безмоментной оболочки. Магистральный трубопровод заполнен газом, давление которого равно Р .

Здесь r 1 =R, r 2 = а в соответствии с ранее принятым допущением, что напряжения распределяются равномерно по толще δ оболочки

где: σ m - нормальные меридиональные напряжения, а

σ t - окружные (широтные, кольцевые) нормальные напряжения.

Пространственный (сложный) изгиб

Пространственным изгибом называется такой вид сложного сопротивления, при котором в поперечном сечении бруса действуют только изгибающие моменты и. Полный изгибающий момент при этом действует ни в одной из главных плоскостей инерции. Продольная сила отсутствует. Пространственный или сложный изгиб часто называют неплоским изгибом, так как изогнутая ось стержня не является плоской кривой. Такой изгиб вызывается силами, действующими в разных плоскостях перпендикулярно оси балки (Рис. 1.2.1).

Рис.1.2.1

Следуя порядку решения задач при сложном сопротивлении, изложенному выше, раскладываем пространственную систему сил, представленную на рис. 1.2.1, на две такие, чтобы каждая из них действовала в одной из главных плоскостей. В результате получаем два плоских поперечных изгиба - в вертикальной и горизонтальной плоскости. Из четырех внутренних силовых факторов, которые при этом возникают в поперечном сечении балки, будем учитывать влияние только изгибающих моментов. Строим эпюры, вызванных соответственно силами (Рис. 1.2.1).

Анализируя эпюры изгибающих моментов, приходим к выводу, что опасным является сечение А, так как именно в этом сечении возникают наибольшие по величине изгибающие моменты и. Теперь необходимо установить опасные точки сечения А. Для этого построим нулевую линию. Уравнение нулевой линии с учетом правила знаков для членов, входящих в это уравнение, имеет вид:

Здесь принят знак “” возле второго члена уравнения, так как напряжения в первой четверти, вызванные моментом, будут отрицательными.

Определим угол наклона нулевой линии с положительным направлением оси (Рис.12.6):

Рис. 1.2.2

Из уравнения (8) следует, что нулевая линия при пространственном изгибе является прямой линией и проходит через центр тяжести сечения.

Из рис. 1.2.2 видно, что наибольшие напряжения возникнут в наиболее удаленных от нулевой линии точках сечения №2 и №4. По величине нормальные напряжения в этих точках будут одинаковыми, но по знаку отличаются: в точке №4 напряжения будут положительными, т.е. растягивающими, в точке №2 - отрицательными, т.е. сжимающими. Знаки этих напряжений были установлены из физических соображений.

Теперь, когда опасные точки установлены, вычислим максимальные напряжения в сечении А и проверим прочность балки с помощью выражения:

Условие прочности (10) позволяет не только выполнить проверку прочности балки, но и подобрать размеры ее поперечного сечения, если задано соотношение сторон поперечного сечения.