Абсолютное значение отношения
относительной поперечной деформации к относительной продольной деформации при
растяжении или сжатии в области действия закона Гука называется коэффициентом
Пуассона: ;
Данный коэффициент является упругой константой изотропного материала и определяется экспериментально. Коэффициент Пуассона безразмерен.
Диапазон изменения значений
коэффициента Пуассона: (на практике
).
Пример: сталь - ; резина, каучук -
; пробка, парафин -
;
Условие прочности при одноосном растяжении-сжатии:
Опасными сечениями при одноосном
растяжении-сжатии являются те, где отношение продольной силы к площади
поперечного сечения достигает максимума:
3.3 Определение осевых перемещений
Пусть два
бесконечно-близких расположенных сечения стержня с координатами
и
при
его осевой деформации перемещаются на расстояния
и
соответственно. Тогда
удлинение участка стержня длиной будет
, а
относительная деформация
. Для
линейно-упругого материала используем закон Гука:
или
(
), где
- жесткость стержня при
осевой деформации. Выражение для продольного перемещения получим
интегрированием по осевой координате:
, где
-
константа интегрирования. Для
. Таким
образом, константа интегрирования
является перемещением в начале координат. Продольное
перемещение произвольного сечения определяется выражением
.
Если на определенном участке , то
-
перемещения меняются по линейному закону, а деформация постоянна.
Полное удлинение (укорочение) стержня
постоянной жесткости при растяжении (сжатии)
постоянной силой
:
.
Пример:
Определить перемещения под действием
собственного веса, если известны
- объемный вес материала стержня (вес
единицы объема);
,
где
-
плотность материала,
-
ускорение свободного падения,
- площадь поперечного сечения (рис.
3.8);
Решение.
Совмещаем начало координат со свободным концом стержня,
Значение осевой силы равно весу
нижележащей (заштрихованной) части стержня: .
Перемещение под действием этой силы .
Определим перемещение свободного конца
из условия равенства нулю перемещения у заделки и
.
Полное удлинение стержня от
собственного веса (перемещение свободного конца) равно ;
при ,
(сталь),
:
. Вследствие того, что перемещения
под действием собственного веса ничтожно малы, ими, как правило, в расчетах
пренебрегают.
Стержень переменного сечения, у которого напряжения во всех сечениях одинаковы и близки к предельно-допустимым называется стержнем равного сопротивления растяжению или сжатию.
Площадь поперечного
сечения такого стержня (рис. 3.9) меняется по экспоненциальному закону:
, также как и продольная
сила
, напряжения
,
деформации
, продольные перемещения
меняются по линейному закону. На
практике используются стержни, имеющие сечения, близкие к экспоненциальному:
ступенчато-постоянные и конусообразные.
3.4 Статически-неопределимые системы при растяжении-сжатии
Системы, в которых число наложенных связей больше числа уравнений статического равновесия называются статически-неопределимыми
Разница между числом неизвестных и числом независимых уравнений статического равновесия называется степенью статической неопределимости.
Свойства статически-неопределимых систем
- невозможно определить все усилия из одних только уравнений статического равновесия
- должны быть геометрически-неизменяемыми, т.е. должна отсутствовать возможность перемещений при постоянной силе
- для раскрытия статической неопределимости необходимо составить дополнительные условия – условия совместности деформаций (уравнения перемещений), которые означают, что до и после деформации система представляет из себя единую конструкцию.
Пример: три стержня
соединены в шарнире (рис. 3.10а), в котором действует вертикальная
сосредоточенная сила
, а сверху стержни
закреплены в неподвижных шарнирах. Угол между крайними стержнями и вертикалью в
ненагруженном состоянии
. Длина среднего
стержня
. Материал стержней одинаков, модуль
Юнга равен
. Площадь поперечного сечения крайних
стержней
, а среднего стержня
.
Определить продольные силы, напряжения в стержнях, а также удлинение среднего стержня.
Решение.
Вводим прямоугольную систему
координат, совмещая ее начало с шарниром, в котором действует сила. Рассекаем
стержни в произвольной точке по их длинам – получаем три внутренних усилия: .
Составляем уравнения статического равновесия:
(условие
симметрии)
условие равенства нулю всех моментов относительно точки A:
-
является вырожденным.
Поскольку два
оставшихся уравнения равновесия содержат три неизвестных, то система является
статически-неопределимой. Степень статической неопределимости равна единице.
Рассматриваем совместную деформацию
стержней: при действии силы стержень 2
удлиняется, при этом стержни 1 и 3 удлиняясь, поворачиваются вокруг верхних
неподвижных шарниров, оставаясь соединенными со стержнем 2.
Считая перемещения малыми, заменяем
перемещения крайних стержней по дугам окружностей на перемещения по
перпендикулярам к их исходному положению (рис. 3.10б). Из геометрии следует,
что . Используя закон Гука (
), получим дополнительное третье
уравнение:
.
Решая полученную систему
алгебраических уравнений, получим
при этом удлинение среднего стержня
составит . Поскольку
, то
и
средний стержень оказывается более напряженным.
3.5 Температурные и монтажные напряжения
Возникающие при изменении температуры в статически-неопределимых системах дополнительные усилия (напряжения) называются температурными усилиями (напряжениями).
Пример: для
статически-неопределимого стержня постоянной жесткостью
и длиной
, температура которого
увеличена на
,
определить температурные напряжения.
Решение.
Удлинение из-за действия температуры
определяется как ,
где -
коэффициент температурного расширения;
это же удлинение, но по закону Гука:
при (сталь),
:
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.