lecture_martyshev

Проверяем №36 по условию прочности (5.18), подставляя данные из сортамента: b = dт = 0,75см; Sxотс(max) = Sxт = 423см3; J xт =13380см4

отвечает всем условиям прочности.

Для определения деформации балки, т.е. θ – углов поворота сечений и V − прогибов балки, с соблюдением условий метода Клебша для всех трех участков балки, записываем дифференциальные уравнения (5.20) и интегрируем их:

I участок 0 ≤ S1 ≤ l1 левая часть (см. рис. 5.10)

Здесь в формуле а) первый минус – т.к. левая часть, второй минус – т.к. он стоит в (5.20)

81

1)Сечение А, опора, т.е. при S1 = l1 V1 ≡ 0 . Подставим это в формулу Iс), получим

2)Сечение В, опора, т.е. при S3 = L = l1 + l2 + l3 V3 ≡ 0 . Подставим это в формулу IIIс)

82

302,2кНм3. С учетом этого строим окончательные эпюры на рис. 5.11. (По аналогии с S2э надо найти S3э (на III участке при S3 > 8м) и вычислить max EJ xV3 ).

Проверка балок на жесткость

Из условий нормальной работы конструкций часто ограничивают максимальные прогибы балок. Обычно вводят следующие ограничения:

Итак: Двутавр №36 отвечает всем требованиям к прочности и жесткости рассматриваемой балки.

Примечание: Если жесткость где-то не выполняется, берут следующий номер двутавра и проверяют его на жесткость.

Статически неопределимые балки при изгибе

Как уже ранее мы отмечали, в случае действия нагрузки на балку в одной плоскости, минимальное число связей, обеспечивающее неподвижность балки по отношению к основанию, равно трем. Эти три связи являются абсолютно необходимыми. Удаление хотя бы одной из таких связей превращают балку в геометрически изменяемую систему (механизм). Поскольку для плоской системы сил можно составить три уравнения равновесия, то балки, закрепленные тремя связями, являются статически определимыми. Исключение составляют многопролетные шарнирные балки, которые могут быть статически определимыми и при числе внешних связей больше трех (об этом выше уже говорилось).

83

Очень часто, для обеспечения требуемой прочности и жесткости балки, оказывается необходимым увеличить число опорных закреплений, т.е. ввести некоторые «лишние» связи.

В балках с «лишними» связями все реакции нельзя определить только из уравнений равновесия. Такие балки будут статически неопределимыми.

Число «лишних» неизвестных определяет степень статической неопределимости системы.

Для раскрытия статической неопределимости балок разработаны несколько методов. Рассмотрим один из них – с использованием метода Клебша для определения деформации балки. Порядок расчета таких балок заключается в следующем:

1.Составляем обычные три уравнения статики для всей балки (как при определении опорных реакций).

2.Для всех участков балки с учетом правил метода Клебша записываем дифференциальные уравнения (5.20) и интегрируем их.

3.Из условий закрепления балки составляем дополнительные уравнения, которые с уравнениями статики дают необходимую систему

алгебраических уравнений для определения всех опорных реакций и констант C и D .

После определения всех опорных реакций, расчет балки на прочность и жесткость ведется обычным (как показано выше) путем.

2.Уравнения деформации балки. Здесь один участок 0 ≤ S ≤ l лев. часть а) EJ xV ′′ = −(− (− M A (S − 0)0 − RAS + qS 2 / 2))

в) EJxθ = -M AS - RAS 2 / 2 + qS3 / 6 + C

с) EJxV = -M AS 2 / 2 - RAS3 / 6 + qS4 / 24 + CS + D

3.Рассмотрим закрепление балки:

Решаем уравнения (1)÷(3) и находим RA , M A , RB .

84

В объеме тела dV = dAdz энергия деформации dU = σz2εz dAdz .

Подставляя сюда (1) получим

85

РАЗДЕЛ 6. КРУЧЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ

Кручением называется такой вид деформации, при котором в поперечных сечениях бруса возникает только внутренний силовой фактор

– крутящий момент M z (вдоль оси бруса будем всегда располагать ось

Z ). Кручение часто встречается на практике в различных элементах машин и сооружений. Кручение прямого бруса происходит при загружении его внешними скручивающими моментами (парами сил), плоскости действия которых перпендикулярны к его продольной оси. Наряду с кручением, элементы машин и сооружений иногда испытывают также изгиб и растяжение (сжатие). Такие сложные случаи нагружения будут рассмотрены позднее, а здесь ограничимся рассмотрением только одного кручения. Стержни (брусья), работающие на кручение, часто называют валами.

Если прямой брус находится в состоянии покоя или равномерного вращения, то алгебраическая сумма всех внешних скручивающих моментов, приложенных к брусу, равна нулю.

При расчете валов, в ряде случаев, величины внешних скручивающих моментов определяются по величине потребляемой (передаваемой) мощности и по скорости вращения вала.

Мощность определяется в «лошадиных силах» (л.с.) или в киловаттах (КВт), а скорость вращения об/мин. В этих случаях крутящий момент Mкр

Построение эпюр Мz

К валу в разных сечениях может быть приложено несколько внешних моментов и поперечные размеры его могут изменяться. Рассмотрим пример, показанный на рис. 6.1.

d3 = 6см; l1 = l2 = l3 = 1м

M в − неизвестный опорный момент.

Его можно найти из условия равновесия вала:

åmomz = 0. M1 − M 2 − M3 − M в = 0

Отсюда M в = 2кНм.

Внутренние крутящие моменты

M z , возникающие в поперечных

Рис.6.1

86

сечениях вала, определяются известным методом сечений по формуле

(1.5).

лев

Здесь momz Fiправ − внешние моменты относительно оси Z для правой или

левой отсеченных частей, они положительны, если с конца оси Z видны против хода часовой стрелки. По (6.2) можно определить M zi на каждом

участке вала и построить эпюру M z . Построим эпюру M z для вала,

показанного на рис. 6.1.

I участок 0 ≤ S1 ≤ l1 левая часть

M z1 = −(−Mв ) = Mв =2кНм

II участок l1 ≤ S2 ≤ (l1 + l2 ) левая часть

M z2 = −(−Mв + M1) =– 8кНм

III участок 0 ≤ S3 ≤ l3 правая часть

M z3 = −M3 = – 3кНм

По этим данным строим эпюру M z на рис. 6.1. Следует учитывать, что max внутренний M z часто не равен max внешнему моменту. Все расчеты вала на прочность ведутся на внутренние M z .

Напряжения и деформации при кручении круглых валов

Исследования показали, что характер деформаций в вале зависит от формы его поперечного сечения. Здесь рассмотрим кручение валов с круглым или кольцевыми сечениями. Сначала рассмотрим результаты эксперимента: на боковую поверхность круглого вала нанесем сетку из продольных и окружных линий. После закручивания вала обнаружим:

−Продольные линии поворачиваются на угол γ , а прямоугольники, образованные сеткой, превращаются в ромбы, т.е. подвергаются сдвигу γ .

−Ось вала останется прямой, контуры поперечных сечений не меняются, остаются плоскими, но поворачиваются друг относительно друга на некоторый угол, называемый углом скручивания ϕ .

−Расстояния между сечениями не меняются, т.е. волокна в продольном

направлении не деформируются Перечисленные наблюдения дают основания для принятия следующих

гипотез (допущений) при кручении круглых валов:

1.Поперечные сечения не меняют форму и размеры, остаются плоскими (гипотеза Бернулли)

2.Продольные волокна не деформируются: ε z = 0, σ z = 0.

87

Согласно гипотезе 2 σ z = 0 и в поперечном сечении возникают

только τ – касательные напряжения, перпендикулярные к радиусам сечения. Для определения этих напряжений получена формула

τ = M z ρ (0 ≤ ρ ≤ R) (6.3)

Jр

Формула (6.4) определяет относительный угол закручивания вала.

Из (6.3) видно, что τ линейно меняется в сечении: τ = 0 при ρ = 0 (в центре) и τ max будет при ρ = R , т.е. в точках сечения у поверхности вала.

Интегрируя (6.4) получим угол поворота одного сечения вала

определяется как алгебраическая сумма углов закручивания по участкам с постоянными M zi и Jрi

Расчеты на прочность. Подбор сечений вала

Условие прочности вала с учетом (6.5) имеет вид

88

M z = M zmax из эпюры M z . Допускаемые напряжения [τ ] для различных материалов приводятся в справочниках.

Из (6.7) находят необходимый Wρн ³ M z /[τ ], а по нему определяют размеры сечения вала:

1.Для сплошного круглого сечения радиуса R Wρ = πR3 / 2 ³Wρн отсюда

R³ 32Wρн /π

2.Для кольцевого сечения (трубы) надо задать отношение R / r = k , т.к.

Wρ = π (R4 - r4 ) /(2R) подставим r = R / k , Wρ = πR3 (1 -1/ k 4 ) / 2 ³ Wρн ,

отсюда R ³ 32Wρн /(π (1 -1/ k 4 )) .

Следует иметь ввиду, что кольцевое сечение более экономично по весу.

В необходимых случаях валы рассчитываются не только на прочность,

но и на жесткость.

Условие жесткости вала на кручение с учетом (6.6а) и (6.6в) имеет вид

ϕ(l) ≤ [ϕ]

Здесь [ϕ] допускаемый угол закручивания вала, для различных случаев приводятся в справочниках и нормативной литературе. Например, при обычном кручении [ϕ] = 0,30 ¸ 20 на один метр длины вала. Если условие жесткости не выполняется, увеличивают размеры сечения вала, т.е. Jр и

снова проверяют условие жесткости с учетом (6.6а) и (6.6в). Примечание: по (6.6)¸(6.6в) ϕ(l) определяется в радианах.

Статически неопределимые задачи при кручении

Задачи на кручение являются статически неопределимыми, если внутренние крутящие моменты M z в поперечных сечениях вала нельзя

89

Уравнение одно, неизвестных два. Задача однажды статически неопределима. Дополнительное уравнение можно составить из условия деформации вала. Оба конца защемлены, поэтому очевидно, что ϕ(l) = 0 ,

Решаем уравнения (а) и (d) находим M A и M B , далее по (в) и (с) строим эпюру M z и делаем все необходимые расчеты.

Свободное кручение стержней некруглого сечения

Теория кручения круглых валов основана на гипотезе плоских сечений. Экспериментально установлено, что при кручении некруглых стержней эта гипотеза не подтверждается. В некруглых стержнях при кручении поперечные сечения коробятся (депланируют), т.е. точки сечения выходят из плоскости сечения. Если депланации сечения ничто не мешает, то в сечении σ z = 0 и имеем свободное кручение, при котором в сечении

возникают только τ − касательные напряжения. Если депланации чем-то ограничены (заделка, скачок на эпюре M z ), то рядом расположенные

сечения коробятся по-разному и поэтому в сечении должны возникнуть σ z ¹ 0 и τ . Это будет стесненное кручение, расчет при этом достаточно

сложный и здесь рассматриваться не будет. Мы рассмотрим только

свободное кручение.

90