Величина напряжения прямо пропорциональна продольной силе и обратно пропорциональна площади поперечного сечения.
Нормальные напряжения действуют при растяжении от сечения (рис. 20.4а), а при сжатии к сечению (рис. 20.4б).
Размерность (единица измерения) напряжений — Н/м2 (Па), однако это слишком малая единица, и практически напряжения рассчитывают в Н/мм2 (МПа):
1 МПа = 106 Па =1 Н/мм2.
При определении напряжений брус разбивают на участки нагружений, в пределах которых продольные силы не изменяются, и учитывают места изменений площади поперечных сечений.
Рассчитывают напряжения по сечениям, и расчет оформляют в виде эпюры нормальных напряжений.
Строится и оформляется такая эпюра так же, как и эпюра продольных сил.
Рассмотрим брус, нагруженный внешними силами вдоль оси (рис. 20.5).
Обнаруживаем три участка нагружения и определяем величины продольных сил.
Участок 1: N1 = 0. Внутренние продольные силы равны нулю.
Участок 2: N2 = 2F. Продольная сила на участке положительна.
Участок 3: N3 = 2F – 3F = - F. Продольная сила на участке отрицательна.
Брус – ступенчатый.
С учетом изменений величин площади поперечного сечения участков напряжений больше.
Строим эпюры продольных сил и нормальных напряжений.
Масштабы эпюр могут быть разными и выбираются исходя из удобства построения.
Примеры решения задач
Пример 1. Ступенчатый брус нагружен вдоль оси двумя силами. Брус защемлен с левой стороны (рис. 20.6). Пренебрегая весом бруса, построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений.
Решение
— Определяем участки нагружения, их два.
— Определяем продольную силу в сечениях 1 и 2.
— Строим эпюру.
— Рассчитываем величины нормальных напряжений и строим эпюру нормальных напряжений в собственном произвольном масштабе.
1. Определяем продольные силы.
В обоих сечениях продольные силы положительны.
2. Определяем нормальные напряжения
Сопоставляя участки нагружения с границами изменения площади, видим, что образуется 4 участка напряжений.
Нормальные напряжения в сечениях по участкам:
Откладываем значения напряжений вверх от оси, т. к. значения их положительные (растяжение). Масштаб эпюр продольной силы и нормальных напряжений выбирается отдельно в зависимости от порядка цифр и имеющегося на листе места.
Пример 2. Для заданного бруса (рис. 2.5, а) построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений.
Решение
Заданный брус имеет четыре участка I, II, III, IV (рис. 2.5, а). Границами участков являются сечения, в которых приложены внешние силы, а для напряжений также и места изменения размеров поперечного сечения.
Пользуясь методом сечений, строим эпюру продольных сил (рис. 2.5, б).
Для построения эпюры нормальных напряжений определяем их в поперечных сечениях каждого из участков:
Эпюра σ представлена на рис. 2.5, в.
Пример 3. Определить количество деревянных стоек сечением 10x10 см, необходимых для поддержания, цистерны, вмещающей V = 40 м3 воды. Масса цистерны Мц = 7,2-103 кг. Допускаемое напряжение [σ] = 13 Н/мм3. При расчете считать, что усилия в стойках одинаковы.
Решение
Требуемая площадь поперечного сечения стоек
где (fст — площадь поперечного сечения одной стойки; i — число стоек);
N — усилие, передающееся на стойки.
где Gц — сила тяжести цистерны; Gц = gтц = 9,81 * 7,2*103 =70,7*103 Н; Gв — сила тяжести воды; Gв = уV = 10*40 = 400 кН (у = 10 кН/м3 — объемная сила тяжести воды). Подставляя числовые значения, получаем
Тогда
откуда находим требуемое число стоек:
Принимаем i = 4.
Пример 4. Для заданной стержневой системы (рис. 2.6, а) определить из расчета на прочность требуемые площади сечения стержней и подобрать по ГОСТ 8509—72 соответствующий номер угловой равнополочной стали, учитывая, что каждый стержень изготовлен из двух равнополочных уголков.
Для принятых сечений стержней определить расчетные напряжения н указать расхождения (в процентах) с допускаемым значением напряжения [σ] = 160 Н/мм3.
Решение
Здесь требуется подобрать сечения стержней исходя из условий:
где N1 и N2 — усилия, возникающие соответственно в стержнях 1 и 2.
1. Усилия N1 и N2 во всех поперечных сечениях стержней одинаковы и площади этих сечений постоянны. Таким образом, все сечения каждого стержня равноопасны.
2. Определяем усилия в стержнях из рассмотрения равновесия узла В, где приложены заданные силы Р1 и Р2 (рис. 2.6, б). Освобождаем эту точку от связей и прикладываем их реакции N1 и N2, равные усилиям в стержнях. Получаем плоскую систему сходящихся сил. Для упрощения уравнений равновесия координатные оси ху направляем вдоль неизвестных усилий N1 и N2. Составляем уравнения равновесия:
Откуда
Тогда
По таблицам ГОСТ 8509—72 подбираем сечения стержней:
для первого стержня угловую равнополочную сталь 36x36x4
для второго стержня угловую равнополочную сталь 28x28x3
Вычислим напряжения в поперечных сечениях стержней при принятых площадях
что больше [σ] на
такое превышение допустимо;
что меньше [σ] на
Пример 5. Определить размеры поперечных сечений стержней (рис. 2.7, а), если допускаемые напряжения для стали [σсх] = 140 Н/мм2, для дерева [σд] = 13 Н/мм2.
Решение
Рассматриваем равновесие шарнира А, так как к этому шарниру приложены заданная нагрузка и искомые усилия в стержнях.
1. Освобождаем шарнир А от связей и заменяем их действие реакциями N1 и N2. Действующие на шарнир А нагрузка и искомые усилия показаны на рис. 2.7, б. Получили плоскую систему сходящихся сил, которая находится в равновесии.
2. Выбираем систему координат и составляем уравнения равновесия:
откуда
Требуемые площади поперечных сечений стержней
Откуда
Пример 6. Однородная балка АВ поддерживается тремя стальными стержнями1, 2, 3 круглого поперечного сечения d = 20 мм (рис. 2.8). Сила тяжести балки Q = 10 кН. Найти допускаемую интенсивность [q] равномерно распределенной нагрузки, если допускаемое напряжение для материала стержней [σ] =160 Н/мм2.
Решение
1. Определим усилия, возникающие в стержнях. Под действием силы Q, равномерно распределенной нагрузки q и усилий N1, N2 и N3 в стержнях балка находится в равновесии.
2. Составляем уравнения равновесия:
3. Решая полученные уравнения, находим:
N3 больше, чем N1 и N2. Следовательно, опасными являются поперечные сечения стержня 3.
4. Условие прочности для стержня 3:
Подставляем значение N3:
5. Решая относительно ц и подставляя числовые значения, получаем:
где
Пример 7. Стальной стержень круглого сечения диаметром d = 20 мм растягивается силой Р = 65 кН. Проверить прочность стержня, если его предел текучести σ = σт = 300 Н/мм2 и требуемый коэффициент запаса [n] = 1,5.
Решение
Напряжения, возникающие в поперечном сечении стержня,
Расчетный коэффициент запаса
Следовательно, можно считать, что прочность стержня достаточна, так как расчетный коэффициент запаса незначительно (на 3%) меньше требуемого.
Контрольные вопросы и задания
- Какие внутренние силовые факторы возникают в сечении бруса при растяжении и сжатии?
- Как распределяются по сечению силы упругости при растяжении и сжатии? (Использовать гипотезу плоских сечений.)
- Какого характера напряжения возникают в поперечном сечении при растяжении и сжатии: нормальные или касательные?
- Как распределены напряжения по сечению при растяжении и сжатии?
- Запишите формулу для расчета нормальных напряжений при растяжении и сжатии.
- Как назначаются знаки продольной силы и нормального напряжения?
- Что показывает эпюра продольной силы?
- Как изменится величина напряжения, если площадь поперечного сечения возрастет в 4 раза?
- В каких единицах измеряется напряжение?
ЛЕКЦИЯ 21
Дата добавления: 2020-08-31; просмотров: 635;