- •Часть 1
- •Часть 1
- •Общие указания по выполнению расчетно-графических работ
- •Используемые обозначения
- •1. Растяжение-сжатие
- •Основные понятия и формулы
- •1.1. Расчет статически определимых стержневых систем Основные определения
- •1.1.2. Определение напряжений и перемещений в стержне при растяжении-сжатии с учетом собственного веса (задача № 2) Условие задачи
- •Решение
- •1.1.3. Определение грузоподъемности статически определимой конструкции, работающей на растяжение-сжатие (задача № 3) Условие задачи
- •Решение
- •1.2. Расчет статически неопределимых стержневых систем Основные определения
- •Решение
- •1.2.2. Расчет статически неопределимой стержневой конструкции, работающей на растяжение-сжатие (задача № 5) Условие задачи
- •Часть 2. Расчет по предельному пластическому состоянию. Требуется найти грузоподъемность (или подобрать сечения стержней) расчетом по предельному состоянию.
- •Решение
- •Часть 1. Для расчета конструкции по упругой стадии деформации необходимо составить три группы уравнений:
- •1.2.3. Определение грузоподъемности статически неопределимой шарнирно-стержневой конструкции (задача № 6) Условие задачи
- •В задаче № 6
- •Решение
- •2. Исследование плоского напряженного состояния. Проверка прочности для сложного напряженного состояния
- •Основные понятия и формулы
- •Решение
- •Условия задачи Решение
- •Условие задачи
- •Решение
- •3. Кручение
- •Основные понятия и формулы
- •Решение
- •3.2. Расчет статически неопределимого вала при кручении (задача № 11) Условие задачи
- •Решение
- •Список литературы
- •Содержание
- •Сопротивление материалов
- •Часть 1
1.1. Расчет статически определимых стержневых систем Основные определения
Статически определимая стержневая система – это конструкция, состоящая из стержней, для определения внутренних усилий в которых достаточно уравнений статики. В данном разделе рассматриваются конструкции, стержни которых работают только на растяжение-сжатие, т. е. в каждом стержне возникает одно внутреннее усилие – продольная сила N.
Основной задачей расчета конструкции является обеспечение ее безопасной эксплуатации. Важнейшим условием такой эксплуатации является условие прочности. Существуют различные методы обеспечения прочности конструкций, подробно о которых можно прочитать в [1, § 3.12]. Мы чаще всего будем пользоваться одним из этих методов – расчетом по допускаемым напряжениям. Согласно этому методу для конструкций, работающих на растяжение-сжатие, условие прочности можно записать в таком виде:
, (1.5)
где – максимальное напряжение в конструкции, вычисляемое с помощью формулы (1.1); –допускаемое напряжение которое находится по формуле
. (1.6)
В формуле (1.6) – предельное напряжение, которое является характеристикой материала. При достижении такого уровня напряжения в материале стержня наступает предельное состояние: появляются пластические деформации, если материал пластичный, или происходит разрушение, если материал хрупкий. n – нормируемый коэффициент запаса прочности.
Кроме формулы (1.5), возможен второй вариант записи условия прочности
, (1.7)
где
(1.8)
называется действительным коэффициентом запаса прочности, показывающим во сколько раз надо увеличить максимальное напряжение в стержне, чтобы материал оказался в опасном (предельном) состоянии.
Порядок решения большинства задач о проверке прочности статически определимых стержневых систем при расчете по допускаемым напряжениям таков:
-
находим внутренние усилия (продольную силу при растяжении-сжатии);
-
определяем напряжения и выявляем опасные сечения;
-
вычисляем максимальные напряжения в опасных сечениях и используем условие прочности (формулы (1.5) или (1.7) при растяжении-сжатии).
Из условия прочности:
-
либо находим грузоподъемность конструкции, т. е. допускаемую нагрузку – максимальную нагрузку, обеспечивающую безопасную эксплуатацию конструкции;
-
либо подбираем сечения стержней, т. е. находим такие минимальные размеры поперечного сечения, которые обеспечивают безопасную эксплуатацию конструкции.
Если нагрузка на конструкцию задана и известны размеры поперечных сечений стержней, то просто проверяем прочность (по формулам (1.5) или (1.7) при растяжении-сжатии) и делаем вывод о возможности эксплуатации конструкции.
Примеры решения задач
1.1.1. Подбор сечения стержня, подверженного
растяжению-сжатию (задача № 1)
Условие задачи
Стержень переменного сечения с заданным отношением площадей подвержен действию нагрузок, показанных на рис. 1.3, а. Цель расчета – подобрать площади сечений так, чтобы на каждом участке соблюдалось условие прочности (1.5) или (1.7). (При этом должно выполняться заданное отношение площадей.)
Решение
Определяем продольную силу и строим эпюру N. Для этого сначала из уравнения равновесия всего стержня находим опорную реакцию:
.
Затем, используя метод сечений, определяем продольную силу в произвольном сечении на каждом участке:
на первом участке ) ;
на втором участке ;
на третьем участке .
Поясним, что на первом и втором участках суммируем все силы, находящиеся слева от рассматриваемого сечения, на третьем участке – силы, находящиеся справа от сечения.
Рис. 1.3. К решению
задачи № 1:
а
– схема нагрузки на стержень;
б,
в –
эпюры продольной силы и напряжений
,
в конце второго участка
.
Аналогично для третьего участка
, .
По полученным точкам строим эпюру N. На рис. 1.3, б эпюра N построена для следующих исходных данных: м, м; F1 = 10 кН, F2 = 40 кН, q1 = 15 кН/м, q2 = 20 кН/м.
Зная продольную силу, по формуле (1.1) находим напряжения в стержне и строим эпюру распределения напряжений по длине стержня (рис. 1.3, в). Для этого площади сечений на всех участках выразим через одну неизвестную величину , используя заданное отношение площадей. Заметим, что на эпюре продольных сил скачки (т. е. резкие изменения усилий при переходе в соседнее сечение) имеют место под сосредоточенными силами на величину этих сил, на эпюре напряжений скачки появляются также и в местах изменения поперечного сечения.
Для подбора сечения по эпюре напряжений выбираем опасные сечения с максимальными напряжениями. Причем для хрупких материалов важным является не только абсолютное значение напряжения, но и его знак. Более опасным является растягивающее напряжение, так как разрушающее напряжение при растяжении хрупкого материала много меньше, чем при его сжатии. Например, на эпюре , показанной на рис. 1.3, в, опасным является не только сечение в начале третьего участка , где действуют максимальные сжимающие напряжения, но и сечение в конце третьего участка с максимальными растягивающими напряжениями. Таким образом, для стержня, показанного на рис. 1.3, достаточно проверить прочность в трех опасных сечениях:
для чугунной части
, откуда ,
и ;
для стальной части
, тогда .
Из трех значений A1, найденных из условий прочности в опасных сечениях, выбираем то, которое удовлетворяет всем условиям (то есть максимальное их всех найденных значение . Величину А2 находим по заданному соотношению: .
Для проверки вычислений находим действительные коэффициенты запаса прочности на каждом участке по формуле (1.8) и сравниваем их с нормируемым коэффициентом запаса. На самом опасном участке (в опасном сечении) действительный коэффициент запаса прочности должен равняться нормируемому, а на остальных участках согласно (1.7) должен быть больше нормируемого.