Конструкторские методы обеспечения требований к несущим конструкциям по прочности и жесткости

Жесткость определяет работоспособность конструкции в такой же, а иногда и в большей степени, как и прочность. Повышенные деформации могут нарушить нор­мальную работу задолго до возникновения опасных для прочности напряжений. Не- жесткость корпусов расстраивает взаимодействие расположенных внутри них узлов и блоков. Жесткость имеет особенно большое значение для изделий облегченного вида (авиационной, ракетной и др. ЭС). Стремясь облегчить конструкцию и максимально использовать прочностные свойства материалов, конструктор повышает напряжения, что сопровождается увеличением деформаций.

Величину деформаций можно рассчитать только в простейших случаях методами сопротивления материалов и теории упругости. В большинстве случаев приходится иметь дело с нерасчетными деталями, сечения которых определяются условиями изго­товления (например, технологии литья или прессования), и имеющими сложную кон­фигурацию, затрудняющую определение напряжений и деформаций.

Здесь приходится прибегать к моделированию, эксперименту, анализу аналогич­ных конструкций, а нередко полагаться только на чутье, вырабатывающееся с тече­нием времени у конструктора. Опытный конструктор, зная направление и величину действующих усилий, оценивает более или менее правильно направление и величину деформаций, выявляет слабые места и, пользуясь разнообразными приемами и мето­дами, увеличивает жесткость, компонуя рациональные изделия.

Основными конструкторскими методами повышения прочности и жесткости явля­ются:

• правильный выбор материалов по их удельным прочностным критериям;

• придание детали равнопрочности во всех сечениях, исключение участков концен­трации напряжений;

• выбор рациональных сечений с разноской материала по направлению действия максимальных напряжений;

• устранение напряжений изгиба и кручения, замена напряжениями растяжения- сжатия;

• устранение по возможности консольных нагружений, невыгодных по величине деформаций и напряжений и упрочнение опасных сечений;

• устранение макро- и микродефектов структуры материалов, введение стабилизи­рующей термообработки.

Равнопрочность — случай, когда напряжения в каждом сечении детали по ее про­дольной оси одинаковы. Такой идеальный случай возможен только при некоторых ви­дах нагружения, когда нагрузка воспринимается всем сечением (растяжение-сжатие, отчасти срез).

При изгибе, кручении и сложных напряженных состояниях напряжения по сече­нию распределяются неравномерно. Они имеют максимальную величину в крайних точках сечения и могут снижаться до нуля на нейтральной оси. В этих случаях можно только приблизиться к условиям равнопрочности выравниванием напряжений, уда­лением материала с наименее нагруженных сечений и сосредоточением его в наиболее нагруженных местах. В качестве примера рассмотрим цилиндрическую деталь, под­вергаемую растяжению, изгибу или кручению. При растяжении-сжатии нормальные напряжения во всех точках сечения массивной детали равны

,

где Р — сила, приложенная к детали, Н;

F — площадь поперечного сечения, мм².

При изгибе нормальные напряжения распределяются по закону прямой линии, проходящей через центр сечения (рис. 4.1.22, а).

Рис. 4.1.22. Распределение напряжений по сечению

Удаление слабонагруженного центрального участка сечения обеспечивает более равномерное распределение напряжений на остающихся участках (рис. 4.1.22, б). Чем тоньше стенки кольца (меньше величины d = 4D), тем равномернее распределение напряжения. Но при сохранении постоянным нагруженного диаметра напряжения в сечении повышаются и могут превысить предел прочности. Приведение уровня на­пряжений к допустимой величине может быть получено увеличением наружного диа­метра и соответственно момента сопротивления сечения (рис. 4.1.22, в).

Для несущих конструкций наибольший интерес представляют круглые, квадрат­ные и I-образные сечения профилей. Рассмотрим и сравним показатели прочности, жесткости и массу и оценим целесообразность их применения в условиях растяжения сжатия, изгиба и кручения. Расчетные формулы для основных профилей даны в табл. 4.1.8 [39]. При растяжении-сжатии напряжения зависят только от площади се­чения F, меньшие габариты будут у круга. Для изгиба напряжения обратно пропор­циональны моменту сопротивления W_u.

Таблица 4.1.8