- •1.Введение
- •1.1 Задачи и методы сопротивления материалов.
- •1.2 Классификация сил, действующих на элементы конструкций.
- •1.3 Основные предпосылки науки о сопротивлении материалов.
- •1.4 Реальный объект и расчетная схема.
- •1.5 Внутренние силы. Метод сечений.
- •1.6 Напряжения.
- •1.7 Деформации и перемещения.
- •1.8 План решения основной задачи сопротивления материалов.
- •2. Растяжение и сжатие
- •2.1 Продольная сила
- •2.2 Вычисление напряжений по площадкам, перпендикулярным и наклонным к оси стержня.
- •2.3 Допускаемые напряжения. Подбор сечений.
- •2.4 Продольные и поперечные деформации
- •2.5 Диаграммы растяжения и сжатия
- •2.6 Основные механические характеристики материала
- •2.7 Работа силы при ее статическом действии. Потенциальная энергия деформации
- •2.9 Перемещения поперечных сечений брусьев
- •2.10 Допускаемые напряжения. Расчеты на прочность.
- •2.11 Статически неопределимые системы
- •3.Сложное напряжённое состояние.
- •3.1Виды напряженного состояния.
- •3.2Напряжения по наклонным сечениям при осевом растяжении или сжатии (линейное напряжённое состояние).
- •3.3Понятие о главных напряжениях. Виды напряжённого состояния материала.
- •3.4Напряжения при плоском напряжённом состоянии.
- •3.5 Графическое определение напряжений (круг Мора).
- •3.6 Нахождение наибольших напряжений для объёмного напряжённого состояния.
- •3.8 Понятие о теориях прочности.
- •3.9 Проверка прочности по различным теориям.
- •4.1 Понятие о сдвиге. Расчёт заклепок на перерезывание.
- •4.2 Проверка заклёпок на смятие и листов на разрыв.
- •4.3 Расчёт сварных соединений.
- •4.4 Чистый сдвиг. Определение главных напряжений и проверка прочности.
- •4.5 Связь между напряжениями и деформацией при чистом сдвиге. Потенциальная энергия сдвига.
- •5.1 Основные понятия. Крутящий момент.
- •5.2 Определение напряжений при кручении круглого вала.
- •5.3 Вычисление полярных моментов инерции и моментов сопротивления сечения вала.
- •5.4 Условие прочности при кручении.
- •5.5 Определение деформаций при кручении.
- •5.6 Потенциальная энергия при кручении.
- •5.7 Определение предельной грузоподъёмности скручиваемого стержня.
- •6.8 Напряжения и деформации в винтовых пружинах с малым шагом.
- •5.9 Статически неопределимые задачи при кручении
- •6. Изгиб
- •§ 6.1. Внутренние силовые факторы, возникающие в поперечных сечениях бруса при изгибе
- •§ 6.2. Напряжения в брусе при чистом изгибе
- •§ 6.3. Напряжения при поперечном изгибе
- •§ 6.4. Дифференциальное уравнение упругой линии балки. Перемещения при изгибе
- •§ 6.5. Универсальное уравнение упругой линии балки
- •§6.6 Контроль правильности построения эпюр q и m.
- •§6.7. Способ сложения действия сил при построении эпюр.
- •§6.8. Графический метод построения эпюр изгибающих моментов и поперечных сил.
- •7. Вычисление моментов инерции плоских фигур.
- •§7.1. Вычисление моментов инерции и моментов сопротивления для простейших сечений.
- •§7.2. Общий способ вычисления моментов инерции сложных сечений.
- •§ 7.3. Подбор сечения балок по допускаемым нагрузкам.
- •§7.4. Применение понятия о потенциальной энергии к определению деформаций.
- •§ 7.5. Вычисленние потенциальной энергии.
- •§7.6. Теорема Кастильяно.
- •§7.7 Статически неопределимые балки.
- •§7.8. Способ сравнения деформаций.
- •§7.9. Применение теоремы Кастильяно, теоремы Мора
- •§7.10. Выбор лишней неизвестной и основной системы.
- •§7.11. План решения статически неопределимой задачи.
- •8. Косой изгиб
- •§8.1. Основные понятия.
- •§8.2. Косой изгиб. Вычисление напряжений.
- •§8.3. Определение деформаций при косом изгибе
- •9. Совместное действие изгиба и растяжения или сжат
- •9.1 Изгиб балки при действии продольных и поперечных сил.
- •9.3. Ядро сечения
- •10.Совместное действие кручения и изгиба
- •11.3 Зависимость критической силы от условий закрепления стержня
- •12.1. Введение»
- •12.2 Вычисление напряжений при равноускоренном движении
- •12.3 Расчёт вращающегося кольца (обод маховика)
7. Вычисление моментов инерции плоских фигур.
§7.1. Вычисление моментов инерции и моментов сопротивления для простейших сечений.
Мы назвали моментом инерции сечения относительно нейтральной оси интеграл такого же вида:
Здесь z-расстояние элементарной площадки от нейтральной оси; суммирование охватывает всю площадь сечения. Покажем в качестве примера вычисление этого интеграла для прямоугольника (рис 7.1) высотой h и шириной b. Проведем через его центр тяжести О оси симметрии Оz и Oy. Если внешние силы, действующие на балку лежат на плоскости Оz, то нейтральной ось будет ось Oy. Найдем относительно этой оси сначала момент инерции, а потом и момент сопротивления площади прямоугольника.
Площадки , на которые следует разбить всю площадь сечения, выберем в виде узких прямоугольников шириной b и высотой dz (рис. 7.1). Тогда
И интеграл принимает вид:
Чтобы взять интеграл по всей площади прямоугольника, следует z менять от до , тогда
= .
Момент сопротивления относительно нейтральной оси Оу мы получим, разделив на :
Если бы нам нужно вычислить момент инерции и момент сопротивления прямоугольника относительно оси Oz ,то в полученных формулах следовало бы b и h поменять местами:
,
(7.1)
Заметим что сумма произведений не изменится, если мы сдвинем все полоски (рис. 7.1) параллельно самим себе так, что они расположатся в пределах параллелограмма АВСD (рис. 7.2)
Таким образом, момент инерции параллелограмма АВСD относительно оси у равен моменту инерции равновеликого ему прямоугольника АВGE:
(7.2)
При вычислении момента инерции круга r (Рис. 7.3)также разбиваем площадь на узкие полоски размером dz вдоль оси Оz; ширина этих полосок b=b(z) тоже будет равна переменной по высоте сечения. Элементарная площадка
.
Момент инерции равен:
Так как верхняя и нижняя половины сечения одинаковы, то вычисление момента инерции достаточно провести для одной нижней и результат удвоить. Пределами для изменения z будут 0 и r:
Введем новую переменную интегрирования –угол α (Рис. 7.3);
,
Пределы: при z=0 α=π, при z=r α=0, следовательно,
= (7.3)
.
Для треугольника (Рис. 7.4) момент инерции относительно оси АВ равен
; ),
.
В следующей главе будет показано ,как вычислять момент инерции для сечения любой сложной формы относительно любой оси .
На практике из симметричных сечений встречаются чаще всего: для дерева – прямоугольник и круг, для металлов – двутавровое и тавровое сечение (Рис. 7.6). Для прокатных профилей можно пользоваться таблицами ОСТ (сортамент), в которых помещены размеры и величины J и W для профилей выпускаемых заводами. Эти таблицы помещены в приложении IX и использование ими показано на примере в следующем параграфе.
В балках из металла обычно применяются сложные поперечные сечения, потому что в них материал может быть использован экономичнее чем в таких сечениях, как прямоугольник и круг.
Часто валы делают полыми, чтобы удалить ту часть материала, которая слабо работает. При изгибе балок материал около нейтральной оси принимает на себя малые нормальные напряжения и также не может быть использован полностью. Поэтому целесообразнее переделать прямоугольное сечение так, чтобы удалить материал у нейтральной оси и часть его сэкономить, а часть перенести в верхнюю и нижнюю зоны балки, где он будет работать более интенсивно. Так получается (Рис. 7.5) из прямоугольного сечения профиль двутавра, обладающего той же прочностью и меньшим весом. Применение двутавра целесообразно при материалах, одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию (большинство металлов).
Сечения в виде тавра применяются или в тех случаях ,вызываемых специальными конструктивными обстоятельствами, или для таких материалов как чугун, бетон, у которых сопротивления растяжению и сжатию резко разнятся между собой; последнее обстоятельство требует, чтобы напряжения в крайних волокнах были различными .
Как видно из изложенного, при решении вопроса о наиболее экономичном проектировании сечения следует стремиться к тому чтобы при одной площади F получить наибольший момент сопротивления и момент инерции. Это ведет к размещению большей части материала подальше от нейтральной оси.
Однако для некоторых сечений можно увеличить момент сопротивлении не добавлением, а, наоборот, путем срезки некоторой части сечения, наиболее удаленной от нейтральной оси.
Так, например, для круглого сечения срезка заштрихованных сегментов (Рис. 7.7)несколько увеличивает момент сопротивления, так как при этом мы уменьшаем момент инерции в меньшей степени, чем расстояние до крайнего волокна .