ГЛАВА 9 Сдвиг и кручение
Брус, изображённый на рис. 9.13, имеет четыре участка. Если рассматривать условия равновесия систем сил, приложенных к левой отсеченной части, то можно записать:
Участок 1 |
a (рис. 9.13, б). |
|||||||||||||||
Mx 0 : Mкр m x dx 0 ; Mкр |
dx . |
|||||||||||||||
Участок 2 |
a x2 |
a b (рис. 9.13, в). |
||||||||||||||
Mx 0 : Mкр m x dx M1 0 ; Mкр m x dx M1 . |
||||||||||||||||
Участок 3 |
a b x2 |
a b c (рис. 9.13, г). |
||||||||||||||
M 0 ; |
x dx M . |
|||||||||||||||
Участок 4 |
a b c x2 a b c d . |
|||||||||||||||
Mx 0 : Mкр m x dx M1 M2 0 ; |
||||||||||||||||
M кр |
m x dx M1 M2 . |
|||||||||||||||
Таким образом, крутящий момент М кр в поперечном сечении бруса равен алгебраической сумме моментов всех внешних сил, действующих по одну сторону от сечения.
9.2.2. Напряжения и деформации при кручении прямого бруса круглого поперечного сечения
Как уже упоминалось, полные касательные напряжения можно было бы определить из зависимости (9.14), если бы был известен закон их распределения по сечению бруса. Невозможность аналитического определения этого закона заставляет обратиться к экспериментальному исследованию деформаций бруса.
В. А. Жилкин
Рассмотрим брус, левый торец которого жестко защемлен, а к правому торцу приложен скручивающий момент М кр . До загружения бруса моментом на его поверхность была нанесена ортогональная сетка с размерами ячеек a×b (рис. 9.14, а). После приложения скручивающего момента М кр правый торец бруса повернётся относительно левого торца бруса на угол, при этом расстояния между сечениями скручиваемого бруса не изменятся, а радиусы, проведённые в торцевом сечении, останутся прямыми, т. е. можно предположить, что гипотеза плоских сечений выполняется (рис. 9.14, б). Сечения, плоские до деформации бруса, остаются плоскими и после деформации, поворачиваясь, как жесткие диски, одно относительно другого на некоторый угол. Так как расстояния между сечениями бруса не изменяется, то продольная относительная деформация x 0 равна нулю. Продольные линии сетки принимают винтообразную форму, но расстояние между ними остаётся постоянным (следовательно, y 0 ), прямоугольные ячейки сетки превращаются в параллелограммы, размеры сторон которых не изменяются, т.е. выделенный элементарный объём любого слоя бруса находится в условиях чистого сдвига.
Вырежем двумя поперечными сечениями элемент бруса длиной dx (рис. 9.15). В результате нагружения бруса правое сечение элемента повернётся относительного левого на угол d . При этом образующая цилиндра повернётся на угол
ГЛАВА 9 Сдвиг и кручение
сдвига. На тот же угол повернутся все образующие внутренних цилиндров радиуса.
Согласно рис. 9.15 дуга
ab dx d .
где d dx – называется относительным углом закручивания. Если размеры поперечных сечений прямого бруса и крутящие моменты, действующие в них, на некотором участке постоянны, то значение также постоянно и равно отношению полного угла закручивания на этом участке к его длине L , т.е. L .
Переходя по закону Гука при сдвиге (G ) к напряжениям, получаем
Итак, в поперечных сечениях бруса при кручении возникают касательные напряжения, направление которых в каждой точке перпендикулярно к радиусу, соединяющему эту точку с центром сечения, а величина прямо пропорциональна
В. А. Жилкин
расстоянию точки от центра. В центре (при 0 ) касательные напряжения равны нулю; в точках, расположенных в непосредственной близости от внешней поверхности бруса, они наибольшие.
Подставляя найденный закон распределения напряжений (9.18) в равенство (9.14), получаем
Mкр G dF G 2 dF G J , |
||||||||||||||||
где J d 4 – полярный момент инерции круглого попереч- |
||||||||||||||||
ного сечения бруса. |
||||||||||||||||
Произведение GJ |
называется жесткостью поперечно- |
|||||||||||||||
го сечения бруса при кручении. |
||||||||||||||||
Единицами измерения жесткости явля- |
||||||||||||||||
ются Н·м2 , кН·м2 и т.д. |
||||||||||||||||
Из (9.19) находим относительный угол закручивания бруса |
||||||||||||||||
M кр |
||||||||||||||||
а затем, исключая из равенства (9.18), получаем формулу |
||||||||||||||||
для напряжений при кручении бруса круглого сечения |
||||||||||||||||
M кр |
||||||||||||||||
Наибольшего значения напряжения достигают в кон- |
||||||||||||||||
турных точках сечения при d 2 : |
||||||||||||||||
M кр |
M кр |
M кр |
||||||||||||||
называют моментом сопротивления кручению вала круглого поперечного сечения.
Размерность момента сопротивления кручению – см3 , м3 и т. д.
что позволяет определить угол закручивания всего бруса
GJ кр . |
Если брус имеет несколько участков с различными аналитическими выражениями для М кр или различными значениями жесткости поперечных сечений GJ , то
Mкр dx |
|||||
Для бруса длиной L постоянного сечения, нагруженного по концам сосредоточенными парами сил с моментом М кр ,
Mкр L |
|||||||||||||||||||
| D и внутренним d . Только в этом случае J и W кр надо | |||||||||||||||||||
1 c 4 ; W кр |
1 c 4 ; c |
|||||
Эпюра касательных напряжений в сечении полого бруса приведена на рис. 9.17.
Сравнение эпюр касательных напряжений в сплошном и полом брусе указывает на преимущества полых валов, так как в таких валах материал используется более рационально (убран материал в области действия малых напряжений). В результате распределение напряжений по сечению становится более равномерным, а сам брус более легким,
чем равнопрочный ему брус сплош- Рис. 9.17 ного сечения, несмотря на некото-
рое увеличение наружного диаметра.
Но при проектировании брусьев, работающих на кручение, следует учитывать,что в случае кольцевого сечения их изготовление сложнее, а значит, и дороже.
Продольная сила N, возникающая в поперечном сечении бруса, представляет собой равнодействующую внутренних нормальных сил, распределенных по площади поперечного сечения, и связана с возникающими в этом сечении нормальными напряжениями зависимостью (4.1):
здесь - нормальное напряжение в произвольной точке поперечного сечения, принадлежащей элементарной площадке - площадь поперечного сечения бруса.
Произведение представляет собой элементарную внутреннюю силу, приходящуюся на площадку dF.
Величину продольной силы N в каждом частном случае легко можно определить при помощи метода сечений, как показано в предыдущем параграфе. Для нахождения же величин напряжений а в каждой точке поперечного сечения бруса надо знать закон их распределения по этому сечению.
Закон распределения нормальных напряжений в поперечном сечении бруса изображается обычно графиком, показывающим изменение их по высоте или ширине поперечного сечения. Такой график называют эпюрой нормальных напряжений (эпюрой а).
Выражение (1.2) может быть удовлетворено при бесконечно большом числе видов эпюр напряжений а (например, при эпюрах а, изображенных на рис. 4.2). Поэтому для выяснения закона распределения нормальных напряжений в поперечных сечениях бруса необходимо провести эксперимент.
Проведем на боковой поверхности бруса до его нагружения линии, перпендикулярные к оси бруса (рис. 5.2). Каждую такую линию можно рассматривать как след плоскости поперечного сечения бруса. При нагружении бруса осевой силой Р эти линии, как показывает опыт, остаются прямыми и параллельными между собой (их положения после нагружения бруса показаны на рис. 5.2 штриховыми линиями). Это позволяет считать, что поперечные сечения бруса, плоские до его нагружения, остаются плоскими и при действии нагрузки. Такой опыт подтверждает гипотезу плоских сечений (гипотезу Бернулли), сформулированную в конце § 6.1.
Представим мысленно брус состоящим из бесчисленного множества волокон, параллельных его оси.
Два любых поперечных сечения при растяжении бруса остаются плоскими и параллельными между собой, но удаляются друг от друга на некоторую величину; на такую же величину удлиняется каждое волокно. А так как одинаковым удлинениям соответствуют одинаковые напряжения, то и напряжения в поперечных сечениях всех волокон (а следовательно, и во всех точках поперечного сечения бруса) равны между собой.
Это позволяет в выражении (1.2) вынести величину а за знак интеграла. Таким образом,
Итак, в поперечных сечениях бруса при центральном, растяжении или сжатии возникают равномерно распределенные нормальные напряжения, равные отношению продольной силы к площади поперечного сечения.
При наличии ослаблений некоторых сечений бруса (например, отверстиями для заклепок), определяя напряжения в этих сечениях, следует учитывать фактическую площадь ослабленного сечения равную полной площади уменьшенной на величину площади ослабления
Для наглядного изображения изменения нормальных напряжений в поперечных сечениях стержня (по его длине) строится эпюра нормальных напряжений. Осью этой эпюры является отрезок прямой, равный длине стержня и параллельный его оси. При стержне постоянного сечения эпюра нормальных напряжений имеет такой же вид, как и эпюра продольных сил (она отличается от нее лишь принятым масштабом). При стержне же переменного сечения вид этих двух эпюр различен; в частности, для стержня со ступенчатым законом изменения поперечных сечений эпюра нормальных напряжений имеет скачки не только в сечениях, в которых приложены сосредоточенные осевые нагрузки (где имеет скачки эпюра продольных сил), но и в местах изменения размеров поперечных сечений. Построение эпюры распределения нормальных напряжений по длине стержня рассмотрено в примере 1.2.
Рассмотрим теперь напряжения в наклонных сечениях бруса.
Обозначим а угол между наклонным сечением и поперечным сечением (рис. 6.2, а). Угол а условимся считать положительным, когда поперечное сечение для совмещения с наклонным сечением надо повернуть на этот угол против часовой стрелки.
Как уже известно, удлинения всех волокон, параллельных оси бруса, при его растяжении или сжатии одинаковы. Это позволяет предполагать, что напряжения р во всех точках наклонного (так же как и поперечного) сечения одинаковы.
Рассмотрим нижнюю часть бруса, отсеченную сечением (рис. 6.2, б). Из условий ее равновесия следует, что напряжения параллельны оси бруса и направлены в сторону, противоположную силе Р, а внутренняя сила действующая в сечении равна Р. Здесь - площадь наклонного сечения равная (где - площадь поперечного сечения бруса).
Следовательно,
где - нормальные напряжения в поперечных сечениях бруса.
Разложим напряжение на два составляющих напряжения: нормальное перпендикулярное к плоскости сечения и касательное та, параллельное этой плоскости (рис. 6.2, в).
Значения и та получим из выражений
Нормальное напряжение считается обычно положительным при растяжении и отрицательным при сжатии. Касательное напряжение положительно, если изображающий его вектор стремится вращать тело относительно любой точки С, лежащей на внутренней нормали к сечению, по часовой стрелке. На рис. 6.2, в показано положительное касательное напряжение та, а на рис. 6.2, г - отрицательное.
Из формулы (6.2) следует, что нормальные напряжения имеют значения от (при до нуля (при а ). Таким образом, наибольшие (по абсолютной величине) нормальные напряжения возникают в поперечных сечениях бруса. Поэтому расчет прочности растянутого или сжатого бруса производится по нормальным напряжениям в его поперечных сечениях.
Pacчет бруса круглого поперечного сечения на прочность и жесткость при кручении
Pacчет бруса круглого поперечного сечения на прочность и жесткость при кручении
Целью расчетов на прочность и жесткость при кручении является определение таких размеров поперечного сечения бруса, при которых напряжения и перемещения не будут превышать заданных величин, допускаемых условиями эксплуатации. Условие прочности по допускаемым касательным напряжениям в общем случае записывается в виде Данное условие означает, что наибольшие касательные напряжения, возникающие в скручиваемом брусе, не должны превышать соответствующих допускаемых напряжений для материала. Допускаемое напряжение при кручении зависит от 0 ─ напряжения, соответствующего опасному состоянию материала, и принятого коэффициента запаса прочности n: ─ предел текучести, nт- коэффициент запаса прочности для пластичного материала; ─ предел прочности, nв- коэффициент запаса прочности для хрупкого материала. В связи с тем, что значения в получить в экспериментах на кручение труднее, чем при растяжении (сжатии), то, чаще всего, допускаемые напряжения на кручение принимают в зависимости от допускаемых напряжений на растяжение для того же материала. Так для стали [для чугуна. При расчете скручиваемых брусьев на прочность возможны три вида задач, различающихся формой использования условий прочности: 1) проверка напряжений (проверочный расчет); 2) подбор сечения (проектный расчет); 3) определение допускаемой нагрузки. 1. При проверке напряжений по заданным нагрузкам и размерам бруса определяются наибольшие возникающие в нем касательные напряжения и сравниваются с заданными по формуле (2.16). Если условие прочности не выполняется, то необходимо либо увеличить размеры поперечного сечения, либо уменьшить нагрузку, действующую на брус, либо применить материал более высокой прочности. 2. При подборе сечения по заданной нагрузке и заданной величине допускаемого напряжения из условия прочности (2.16) определяется величина полярного момента сопротивления поперечного сечения бруса По величине полярного момента сопротивления находят диаметры сплошного круглого или кольцевого сечения бруса. 3. При определении допускаемой нагрузки по заданному допускаемому напряжению и полярному моменту сопротивления WP предварительно на основе (3.16) определяется величина допускаемого крутящего момента MK а затем с помощью эпюры крутящих моментов устанавливается связь между K M и внешними скручивающими моментами. Расчет бруса на прочность не исключает возможности возникновения деформаций, недопустимых при его эксплуатации. Большие углы закручивания бруса весьма опасны, так как могут приводить к нарушению точности обработки деталей, если этот брус является конструктивным элементом обрабатывающего станка, либо могут возникнуть крутильные колебания, если брус передает переменные по времени скручивающие моменты, поэтому брус необходимо рассчитывать также на жесткость. Условие жесткости записывается в следующем виде: где ─ наибольший относительный угол закручивания бруса, определяемый из выражения (2.10) или (2.11). Тогда условие жесткости для вала примет вид Величина допускаемого относительного угла закручивания определяется нормами и для различных элементов конструкций и разных видов нагрузок изменяется от 0,15° до 2° на 1 м длины бруса. Как в условии прочности, так и в условии жесткости при определении max или max будем использовать геометрические характеристики: WP ─ полярный момент сопротивления и IP ─ полярный момент инерции. Очевидно, эти характеристики будут различными для круглого сплошного и кольцевого поперечных сечений при одинаковой площади этих сечений. Путем конкретных расчетов можно убедиться, что полярные моменты инерции и момент сопротивления для кольцевого сечения значительно больше, чем для оплошного круглого сечения, так как кольцевое сечение не имеет площадок, близко расположенных к центру. Поэтому брус кольцевого сечения при кручении является более экономичным, чем брус сплошного круглого сечения, т. е. требует меньшего расхода материала. Однако изготовление такого бруса сложнее, а значит, и дороже, и это обстоятельство также необходимо учитывать при проектировании брусьев, работающих при кручении. Методику расчета бруса на прочность и жесткость при кручении, а также рассуждения об экономичности, проиллюстрируем на примере. Пример 2.2 Сравнить веса двух валов, поперечные размеры которых подобрать для одного и того же крутящего момента MK 600 Нм при одинаковых допускаемых напряжениях 10 Rи 13 Растяжение вдоль волокон р] 7 Rp 10 Сжатие и смятие вдоль волокон [см] 10 Rc , Rcм 13 Смятие поперек волокон (на длине не менее10 см) [см]90 2,5 Rcм 90 3 Скалывание вдоль волокон при изгибе [и] 2 Rcк 2,4 Скалывание вдоль волокон при врубках 1 Rcк 1,2 – 2,4 Скалывание во врубках поперек волокон
Если при прямом или косом изгибе в поперечном сечении бруса действует только изгибающий момент, то соответственно имеется чистый прямой или чистый косой изгиб. Если в поперечном сечении действует также и поперечная сила, то имеется поперечный прямой или поперечный косой изгиб. Если изгибающий момент является единственным внутренним силовым фактором, то такой изгиб называетсячистым (рис.6.2). При наличии поперечной силы изгиб называется поперечным . Строго говоря, к простым видам сопротивления относится лишь чистый изгиб; поперечный изгиб относят к простым видам сопротивления условно, так как в большинстве случаев (для достаточно длинных балок) действием поперечной силы при расчетах на прочность можно пренебречь. Смотрите условие прочности при плоском изгибе. ри расчете балки на изгиб одной из важнейших является задача определения еепрочности. Плоский изгиб называется поперечным, если в поперечных сеченияхбалкивозникает двавнутренних силовых фактора: М – изгибающий момент и Q – поперечная сила, и чистым, если возникает только М. В поперечном изгибе силовая плоскость проходит через ось симметрии балки, являющейся одной из главных осей инерции сечения.
При изгибе балки одни слои ее растягиваются, другие сжимаются. Между ними находится нейтральный слой, который лишь искривляется, не изменяя при этом своей длины. Линия пересечения нейтрального слоя с плоскостью поперечного сечения совпадает со второй главной осью инерции и называется нейтральной линией (нейтральной осью).
От действия изгибающего момента в поперечных сечениях балки возникают нормальные напряжения, определяемые по формуле
где М – изгибающий момент в рассматриваемом сечении;
I – момент инерции поперечного сечения балки относительно нейтральной оси;
у – расстояние от нейтральной оси до точки, в которой определяются напряжения.
Как видно из формулы (8.1), нормальные напряжения в сечении балки по ее высоте линейны, достигая максимального значения в наиболее удаленных точках от нейтрального слоя.
где W – момент сопротивления поперечного сечения балки относитель¬но нейтральной оси.
27.Касательные напряжения в поперечном сечении балки. Формула Журавского.
Формула
Журавского позволяет
определить касательные
напряженияпри изгибе, возникающие
в точках поперечного сечении балки,
находящиеся на расстоянии отнейтральной
осиx.
ВЫВОД ФОРМУЛЫ ЖУРАВСКОГО
Вырежем из балки прямоугольного поперечного сечения (рис. 7.10, а) элемент длиной и дополнительным продольным сечением рассечем на две части (рис. 7.10, б).
Рассмотрим равновесие верхней части: из-за отличия изгибающих моментов возникают разные сжимающие напряжения. Чтобы эта часть балки находилась в равновесии () в ее продольном сечении должна возникнуть касательная сила. Уравнение равновесия части балки:
где
интегрирование ведется только по
отсеченной части площади поперечного
сечения балки (на
рис. 7.10, в заштрихована),
–
статический момент инерции отсеченной
(заштрихованной) части площади поперечного
сечения относительно нейтральной оси
x.
Предположим: касательные напряжения (), возникающие в продольном сечении балки, равномерно распределены по ее ширине () в месте сечения:
Получим выражение для касательных напряжений:
,
а ,
тогдаформула
касательных напряжений (),
возникающих в точках поперечного сечения
балки, находящихся на расстоянииy от
нейтральной оси x:
Формула Журавского
Формула Журавского получена в 1855 г. Д.И. Журавским, поэтому носит его имя.