Сделай Сам Свою Работу на 5

Наука о сопротивлении материалов





Сопротивление материалов

Метод сечений. Напряжения



Сущность метода сечений

Для расчетов элементов конструкции на прочность необходимо знать внутренние силы упругости, возникающие в результате приложения внешних сил в разных точках и частях конструкции.
Способы определения этих внутренних сил с помощью науки сопротивление материалов включают такой прием, как метод сечений.

Метод сечений заключается в том, что тело мысленно рассекается плоскостью на две части, любая из которых отбрасывается и взамен ее к сечению оставшейся части прикладываются внутренние силы, действовавшие на нее до разреза со стороны отброшенной части. Оставленная часть рассматривается как самостоятельное тело, находящееся в равновесии под действием приложенных к сечению внешних и внутренних сил (третий закон Ньютона – действие равно противодействию).
При применении этого метода выгоднее отбрасывать ту часть элемента конструкции (тела), для которой проще составить уравнение равновесия. Таким образом, появляется возможность определить внутренние силовые факторы в сечении, благодаря которым оставшаяся часть тела находится в равновесии (прием, часто применяемый в Статике).



Применяя к оставленной части тела условия равновесия, невозможно найти закон распределения внутренних сил по сечению, но можно определить статические эквиваленты этих сил (равнодействующие силовые факторы).
Так как основным расчетным объектом в сопротивлении материалов является брус, рассмотрим, какие статические эквиваленты внутренних сил проявляются в поперечном сечении бруса.

Рассечем брус (рис. 1) поперечным сечением а-а и рассмотрим равновесие его левой части.
Если внешние силы, действующие на брус, лежат в одной плоскости, то в общем случае статическим эквивалентом внутренних сил, действующих в сечении а-а, будут главный вектор Fгл, приложенный в центре тяжести сечения, и главный момент Мгл = Ми, уравновешивающие плоскую систему внешних сил, приложенных к оставленной части бруса.

Разложим главный вектор на составляющую N, направленную вдоль оси бруса, и составляющую Q, перпендикулярную этой оси и лежащую в плоскости сечения. Эти составляющие главного вектора и главный момент называют внутренними силовыми факторами, действующими в сечении бруса. Составляющую N называют продольной силой, составляющую Q – поперечной силой, пару сил с моментом Ми – изгибающим моментом.



Для определения указанных трех внутренних силовых факторов применим известные из Статики уравнения равновесия оставленной части бруса:

Σ Z = 0; Σ Y = 0; Σ M = 0; (ось z всегда направляем по оси бруса).



Если внешние силы, действующие на брус, не лежат в одной плоскости, т. е. представляют собой пространственную систему сил, то в общем случае в поперечном сечении бруса возникают шесть внутренних силовых факторов (рис. 2), для определения которых применяют известные из Статики шесть уравнений равновесия оставленной части бруса:

Σ X = 0; Σ Y = 0; Σ Z = 0;
Σ Mx = 0; Σ My = 0; Σ Mz = 0.

Эти силовые факторы в общем случае носят следующие названия: N – продольная сила, Qx, Qy – поперечные силы, Мкр – крутящий момент, Мих и Миу – изгибающие моменты.

При разных деформациях в поперечном сечении бруса возникают различные силовые факторы.
Рассмотрим частные случаи:

1. В сечении возникает только продольная сила N. Это деформация растяжения (если N направлена от сечения) или сжатия (если N направлена к сечению).

2. В сечении возникает только поперечная сила Q. Это деформация сдвига.

3. В сечении возникает только крутящий момент Мкр. Это деформация кручения.

4. В сечении возникает только изгибающий момент Ми. Это деформация чистого изгиба. Если в сечении одновременно возникает изгибающий момент Ми и поперечная сила Q, то изгиб называют поперечным.



5. Если в сечении одновременно возникает несколько внутренних силовых факторов (например, изгибающий момент и продольная сила), то имеет место сочетание основных деформаций (сложное сопротивление).

***

Напряжение

Наряду с понятием деформации одним из основных понятий сопротивления материалов является напряжение (обозначается р).
Напряжение характеризует интенсивность внутренних сил, действующих в сечении, и определяется, как отношение величины внутренней силы к площади сечения.
Напряжение является величиной векторной.

Вектор напряжения можно разложить на две составляющие (рис. 3) – одну вдоль оси сечения, вторую – в плоскости сечения (перпендикулярно оси). Эти составляющие носят название нормальное напряжение (обозначается σ) и касательное напряжение (обозначается τ).
Поскольку нормальные и касательные напряжения расположены под прямым углом друг к другу, модуль полного напряжения p можно определить по теореме Пифагора:

р2 = σ2 + τ2

Единица измерения напряжения – паскаль (Па).
1 Па = Н / м2. Поскольку эта единица очень мала, в расчетах часто применяют более крупную кратную единицу – мегапаскаль (МПа), который равен миллиону паскалей (106 Па).

Объяснить сущность напряжения можно на таком простом примере.
В соответствии с гипотезой об отсутствии первоначальных внутренних усилий, считается, что когда к телу не приложены внешние нагрузки его частицы не взаимодействуют друг с другом, т. е. абсолютно равнодушны к "соседкам" справа, слева и т. п. Но стоит приложить к телу внешнюю нагрузку, его частицы начинают лихорадочно цепляться друг за друга, пытаясь удержаться в "кучке". Если нагрузка растягивает тело, его частицы держатся друг за дружку, не давая разорвать тело, если нагрузка сжимающая - частицы тела стараются удержать "соседок" на прежнем расстоянии.
Совокупность всех этих усилий внутренних частиц, противостоящих внешним раздражителям-нагрузкам, и является напряжением.
Задачи сопромата чаще всего сводятся к тому, чтобы определить предельные величины нагрузок, способных разорвать связи между частицами, из которых состоит тело или, по известным предельным напряжениям определить, какие нагрузки способно выдержать тело не разрушаясь, не деформируясь и т. д.

Нетрудно заметить, что напряжение измеряется в тех же единицах, что и давление, поэтому можно провести некоторую аналогию между этими физическими понятиями. Принципиальная разница заключается в том, что давление - внешний силовой фактор (т. е. воздействующий на тело или его части извне), а напряжение - внутренний силовой фактор, характеризующий степень взаимодействия (взаимосвязи) частиц тела между собой.

***

 

 

Наука о сопротивлении материалов

Наука о сопротивлении материалов возникла в эпоху Возрождения, когда развитие техники, строительства, торговли, мореплавания и военного дела потребовало научных обоснований, необходимых для постройки крупных объектов и сооружений, морских судов и других сложных конструкций.
Основоположником этой науки считают итальянского ученого Г. Галилея (1564-1642 гг.)

Как показывает практика, все части конструкций под действием нагрузок деформируются, т. е. изменяют свою форму и размеры, а в некоторых случаях происходит разрушение конструкций.

В этом плане показательна древняя китайская мудрость о вечности. Согласно легенде, китайские мудрецы так описывали понятие вечности своим ученикам:
"Если положить на берега Ганга огромную алмазную глыбу и раз в тысячелетие к этой глыбе будет прилетать ворон, чтобы почистить клюв, то время, через которое алмазная глыба сотрется о клюв ворона и превратится в песчинку, - всего лишь краткий миг, по сравнению с вечностью".
Тоже самое можно сказать и о деформируемости элементов конструкций. Какая бы прочная ни была конструкция, из каких бы прочнейших материалов она была бы создана, но даже крохотный комар, севший на массивную деталь, вызовет деформацию этой детали. Понятно, что эта деформация будет крайне ничтожной, но, тем не менее, она имеет место.

Сопротивление материалов есть наука о прочности и деформируемости материалов и элементов машин и сооружений.
Применяя способы и методы этой науки можно производить с достаточной степенью погрешности расчеты конструкций машин и объектов на прочность, жесткость и устойчивость.

Прочностью называется способность материала конструкций и их элементов сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Расчеты на прочность дают возможность определить размеры и форму деталей конструкций, способные выдержать заданную нагрузку при наименьших затратах материалов.

Жесткость – способность тел или конструкций противостоять образованию деформаций.
Расчеты на жесткость позволяют определить размеры, материал и форму конструкций, при которых возникающие в результате нагрузок деформации не превысят допустимых величин и норм.

Под устойчивостью понимают способность конструкции сопротивляться усилиям, стремящимся вывести ее из исходного состояния равновесия.
Расчеты на устойчивость позволяют предотвратить внезапную потерю устойчивости конструкции и искривления ее элементов в результате приложения внешней нагрузки. Примером потери устойчивости может служить внезапное искривление длинного прямолинейного стержня при сильном сжатии его вдоль оси.



На практике в большинстве случаев приходится иметь дело с конструкциями сложной формы, но их можно представить состоящими из отдельных элементов, например, брусьев, пластин, оболочек или массивов.
Основным расчетным элементом в сопротивлении материалов является брус, т. е. тело, поперечные размеры которого малы по сравнению с длиной. Брусья бывают прямолинейными, криволинейными, постоянного и переменного сечения.
В зависимости от их назначения в конструкции брусья называют колоннами, балками, стержнями.

Плоское сечение, перпендикулярное оси прямолинейного бруса называют поперечным, сечение, параллельное оси прямолинейного бруса – продольным, остальные виды плоских сечений называют наклонными.

Кроме расчёта брусьев сопротивление материалов занимается расчетом пластин и оболочек, т. е. тел, имеющих малую толщину по сравнению с другими размерами (резервуары, трубы, обшивка судов и самолетов и т. п.). Тела, у которых все три измерения одинакового порядка называются массивами (фундаменты, станины станков и т. п.).

При деформации тела под действием внешних силовых факторов внутри него возникают силы упругости, которые препятствуют деформации и стремятся вернуть частицы тела в исходное положение. Появление сил упругости обусловлено существованием в теле внутренних сил молекулярного взаимодействия.
В сопротивлении материалов изучают деформации тел и возникающие при этих деформациях внутренние силовые факторы.

В зависимости от способности сохранять исходную форму под действием деформирующих сил различают пластичные и хрупкие тела.
Пластичные могут изменять в той или иной степени форму даже после снятия внешних нагрузок (остаточная деформация), хрупкие обладают малой пластичностью и способны сохранять исходную форму вплоть до разрушения из-за внешних нагрузок.

 

Растяжение и сжатие



 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.