Расчеты на прочность, жесткость и устойчивость.
Служат для обеспечения механической надежности. Такие расчеты состоят из двух этапов.
1. На первом этапе вычисляются напряжения, деформации и перемещения в элементах конструкции, подверженных действию внешних нагрузок. Такие задачи решаются методами сопромата, теории упругости, теории ползучести, строительной механики и т.д. Т.е. решается вопрос, может ли конструкция достаточно надежно служить в течение установленного срока.
2. Второй этап – это сопоставление найденного НДС с некоторыми нормативно допустимыми значениями или сопоставление расчетных нагрузок с их предельными значениями. Т.е. решается вопрос, является ли конструкция надежной, долговечной и экономичной.
Растяжение и сжатие
При растяжении или сжатии образца совершается работа. За счет этой работы в деформируемом теле накапливается энергия, называемая потенциальной (потенция – возможность) т.е. потенциальная энергия скрыта в теле и может проявиться при известных условиях переходя в другие виды энергии. Как только сила снята, тело начинает восстанавливать форму, расходуя накопительную потенциальную энергию. Пример: при заводе пружины механические часы, пружина накапливает энергию, которая потом тратиться, приводя в движение механизм.
При растяжении как и при сжатии напряжения нормальные распределяются по объему равномерно и зависят от площади поперечного сечения и не зависят от длины образца.
|
|
|
Отличие между растяжением и сжатием является то, что при растяжение напряженное состояние не зависит от формы, а вот сжатие длинных тонких изделий может привести к потере устойчивости.
Изгиб
При изгибе напряжения распределяются по сечению неравномерно, что является опасным, так как не все строительные и конструкционные материалы одинаково сопротивляются растяжению и сжатию. Например, силикаты (бетон) успешно работают на сжатие в строительных конструкциях и в несколько раз хуже на изгиб и растяжение. При изгибе на одной из поверхностей возникают максимальные нормальные растягивающие напряжения, которые уменьшаются до нуля на нейтральном слое, после которого меняют знак и начинают увеличиваться сжимающие напряжения до максимума на другой поверхности.
Напряжения при изгибе существенно зависят от формы поперечного сечения, отсюда многообразие сортамента из различных металлов и сплавов – уголки, швеллеры, двутавры, п-образные и т д., все эти профили позволяют облегчить конструкцию, экономить материал, практически не меняя прочностных свойств конструкции в целом.
Сопротивление изгибу существенно зависит от площади поперечного сечения
|
|
|
Во многих случаях изгиб необходимо и возможно превратить в растяжение и сжатие. Для этого применяются такие особые конструкционные формы. Примером служат железнодорожные мосты – это просто, легко и экономично.
Деревянные мосты, арки, купола являются очень древними конструкциями, где осуществлены попытка заменить изгиб на сжатие (около 5000 лет).
Кручение
Электроэнергия имеет повсеместное применение. Самую дешевую
Электроэнергию дают гидростанции. Под напором воды вращается турбинное колесо. Через стальной вал вращение турбинного колеса предается генератору, вырабатывающему электрический ток. Вода воздействует на турбину с огромной силой, подобно тому, как силы скручивали мокрую одежду при обжимании. Такие усилия называют крутящим моментом.
Для того чтобы определить характер нагруженного состояния проводят простейший опыт: На резиновом жгуте чертят ряд продольных линий и поперечных окружностей. При закручивании мы увидим, продольные призмы стали винтовыми, а прямоугольники параллелепипедами. Это происходит в результате деформации сдвига под воздействием крутящего момента.
|
|
|
Пример: карданный вал автомобиля.
При кручении, то есть при деформации сдвига возникают касательные напряжения, которые уменьшаются от поверхности к оси до нуля. Сдвиги по мере приближения к оси вала также уменьшаются.
Результаты многочисленных экспериментов доказывают, чем больше диметр вала, тем лучше он сопротивляется кручению
К примеру, увеличение диаметра вала в 2 раз повышает его прочность в 8 раз, а увеличение в 4раза делает вал прочнее в 64 раза.
На схеме видно, что вблизи оси напряжения малы, там материал недогружен, его прочность почти не используется, этот факт позволяет применить полые трубные валы, то есть за счет высверливания сердцевины уменьшать вес, экономить металл без ущерба для прочности.
Поэтому трубчатые валы нашли широкое применение в автомобиле и самолетостроении, где особенно необходимо сочетание высокой прочности детали с наименьшим их весом
|
Но нельзя увлекаться уменьшением толщины стенки вала. Тонкостенный вал вроде водосточной трубы при кручении сплющивается подобно водосточным трубам из жести.
Ударная прочность
Работа почти всякой машины сопровождается более или менее сильными ударами. Даже тиканье часов – это удары друг друга мельчайших деталей часового механизма. Инженерам т.е создателям машин и механизмов просто необходимо знать, как удары влияют на различные материалы. И не только инженеры, но и эксплуататоры должны знать, как адекватно реализовать при ударных нагрузках, тогда можно продлить срок службы механизмов и приборов.
|
|
|
Величину спокойной нагрузки статической нагрузки измеряется в кгс, т или в других единицы силы. Величину ударной нагрузки так измерять нельзя. Ударная нагрузка определяется количеством энергии, передаваемой в момент удара от одного тела к другому. Например, камень, падающий из ковша экскаватора в кузов самосвала, обладает в момент удара определенной кинетической энергией. Эта энергия превращается в энергию упругой и остаточной деформации кузова, рессор, колес и т.д. , а также самого камня .
Поэтому способность сопротивляться ударным нагрузкам определяется уже и пределом его прочности, а энергией деформации, которая могла бы быть накоплена в одном кубическом сантиметре материала до разрушения. Чем больше деформация, тем больше энергии накапливается в материале.
Заштрихованная площадь пропорциональна работе разрушения образцов.
Хрупкие материалы к пластическим деформациям не способны (см. рис.), поэтому хрупкие материалы плохо противостоят ударам, даже если предел прочности этих материалов велик. Однако ударная прочность детали зависит не только от материалов, но и от формы и размеров.
При постепенной разрывной нагрузке стержни разорвутся при одной и той же нагрузке. А при разрыве и при ударе: для разрыва длинного стержня потребуется почти вдвое более сильный удар, чем для короткого. Причина состоит в том, что к моменту разрыва удлинение короткого стержня почти вдвое меньше, чем у длинного, следовательно, разница в энергии. Т.е. длинные детали лучше противостоят ударным нагрузкам, чем короткие. Это свойство называется «податливость». То же самое наблюдается при ударном изгибе, скручивании и сжатии.
Ударную нагрузку легче воспринимают податливые , как бы пружинящие детали, поэтому там, где нужно смягчить удар, ставят рессоры, пружины, резиновые прокладки.
При ударе сильно удлиняется тонкая часть, а утолщение останется упругим. Т.о. легко противодействовать удару, поглощая его энергию, будет только тонкая часть. Следовательно, утолщение не только не повышает, а, наоборот, снижает прочность детали при действии удара.
Усталость металла
Пример. Колеса поезда (вагона) посажены на ось наглухо, и ось вращается вместе с ними. Под тяжестью вагона ось изгибается. Одни слои материала сжимаются, а другие растягиваются. Но во время движения поезда ось вращается, и те волокна, которые растягивались, через долю секунды уже сжимаются. Такая нагрузка называется знакопеременным изгибом.
Осмотр деталей, разрушившихся под воздействием многократной знакопеременной нагрузки, показывает, что пластичные материалы в этом случае разрушаются подобно хрупким. Способность материала сопротивляться многократным нагрузкам называется выносливостью. Испытания на выносливость. Пример.
Патроны с образцами начинают вращаться, грузы отгибают их вниз, происходит знакопеременный изгиб. Образец с треском ломается, счетчик отсчитал 1,2 млн циклов. Если уменьшить груз, т.е. напряжения, то образец выдержит уже 4 млн циклов. Результаты испытаний изображают в виде диаграммы выносливости. При уменьшении нагрузки при смене образуясь, можно найти такую величину напряжения, при котором сталь выдерживает уже неограниченное число циклов нагрузки. Важно отметить, что предел выносливости материала всегда меньше его предела прочности (обычно в 2-3 раза), зачастую даже меньше его предела текучести. Знакопеременная многократная нагрузка гораздо опаснее для прочности материала чем спокойная. Это объясняется тем, что уже при сравнительно небольших напряжениях в отдельных зернах металла, менее прочных, чем другие, появляются пластические сдвиги. При многократной смене напряжений эти сдвиги дают начало макроскопической трещине. Далее трещина растет и в конце концов деталь, ослабленная трещиной, ломается.
Например,
σ-1=0,45σв (для чугуна и углеродной стали)
σ-1=0,35σв+90 МПа (для легированной стали)
σ-1=0,36σв (для цветных металлов)
Ползучесть
Такие свойства металлов, как пластичность, прочность, значительно изменяются с изменением температуры, давления и других условий работы. На практике детали многих машин и сооружений работают под воздействием высокой температуры. В таких условиях металлы приобретают отрицательное свойство постепенно деформироваться под воздействием даже сравнительно небольшой нагрузки.
Текучесть холодного металла наступает при сравнительно высоких напряжениях. А текучесть нагретого металла наступает под действием постоянной нагрузки даже при напряжениях, далеко не достигающих предела текучести. Металл как бы «ползет».
Ползучесть – это явление постепенного нарастания деформации нагретого металла без увеличения нагрузки. Это несомненно пластическая деформация, своего рода медленная текучесть.
Некоторые металлы, например, латунь, алюминий, «ползут» даже при комнатной температуре, хотя и очень медленно. Сталь более устойчива, ее ползучесть заметна только при температурах более 300-350˚C. Чем больше напряжения в металле и чем выше температура, тем быстрее «ползет» металл. Например, метровый стержень из углеродной стали, растягиваемый при напряжении 100 кг/см2 , при температуре 540˚C, удлинится за год на 15 мм. Т.е. если необходима долговечность, то такое удлинение недопустимо. Кроме того, при увеличении температуры до 600˚C, скорость ползучести возрастает в 10 раз.
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 419; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!