1) построить эпюру крутящих моментов 
2) построить эпюру касательных напряжений 
3) определить грузоподъемность  из условия прочности по
касательным напряжениям
 из условия прочности по
касательным напряжениям
4) построить эпюру углов закручивания 
Решение.
Заменяя жесткую заделку на реактивный момент  , и совмещая начало
координат с неподвижным концом вала, составляем сумму проекций всех моментов на
ось вала:
, и совмещая начало
координат с неподвижным концом вала, составляем сумму проекций всех моментов на
ось вала:

 (реактивный момент в
заделке направлен в ту же сторону, что и на рисунке).
 (реактивный момент в
заделке направлен в ту же сторону, что и на рисунке).
Выражение для крутящих моментов имеет вид (для 4-х участков
вала): 
Поскольку вал имеет постоянное поперечное сечение по всей длине, то полярный момент сопротивления также постоянен и для сплошного вала равен
 , а жесткость стержня на
кручение равна
, а жесткость стержня на
кручение равна

Выражения
для касательных напряжений для каждого из участков  :
:

3) Условие прочности при чистом
кручении:

Определяем грузоподъемность

Записываем выражение для крутящего момента в числовом виде:
 и
строим эпюру.
 и
строим эпюру.
Определяем значения касательных напряжений для найденного максимального значения крутящего момента:

Определяем углы закручивания вала

Строим эпюру углов закручивания, которая является кусочно-линейной функцией.
5. Изгиб прямых стержней
5.1 Основные допущения
Гипотеза о ненадавливании продольных
волокон:
волокна стержня, параллельные его оси, испытывают деформацию растяжения-сжатия
в продольном направлении и не оказывают давления друг на друга в поперечном
направлении. Данная гипотеза означает, что из всех нормальных напряжений
присутствуют только  , которые можно определить
по закону Гука:
, которые можно определить
по закону Гука:  и каждое продольное
сечение будет находиться в состоянии одноосного растяжения-сжатия.
 и каждое продольное
сечение будет находиться в состоянии одноосного растяжения-сжатия.
Гипотеза плоских сечений: каждое поперечное
сечение стержня плоское до деформации остается плоским и нормальным к искривленной
оси стержня после деформации. Данная гипотеза на практике оказывается
действительной для длинных стержней: если характерный размер
поперечного сечения  относится к длине
относится к длине  как
 как .
.
 При введении этих гипотез каждое
поперечное сечение стержня будет являться абсолютно-жестким диском, имеющим три
степени свободы (рис. 5.1).
При введении этих гипотез каждое
поперечное сечение стержня будет являться абсолютно-жестким диском, имеющим три
степени свободы (рис. 5.1).
Пусть перемещение  , если оно направлено в положительном
направлении оси
, если оно направлено в положительном
направлении оси  , тогда перемещение
произвольной точки сечения A имеет вид:
, тогда перемещение
произвольной точки сечения A имеет вид:
 .
.
Правило знаков при изгибе:
 Поперечная сила является
положительной, если она поворачивает элемент по часовой стрелке. Изгибающий
момент является положительным, если сжатые им волокна расположены сверху
(рис.5.2).
Поперечная сила является
положительной, если она поворачивает элемент по часовой стрелке. Изгибающий
момент является положительным, если сжатые им волокна расположены сверху
(рис.5.2).
Классификация изгибов:
Чистый изгиб –
в поперечных сечениях стержня присутствует только изгибающий момент:  ;
;
Поперечный изгиб –
в поперечных сечениях стержня присутствует и изгибающий момент и поперечная
сила:  ;
;
Плоский изгиб –
изгиб стержня в одной из главных плоскостей инерции:  или
 или
 .
.
Косой изгиб – изгиб
одновременно в двух главных плоскостях инерции:  .
.
5.2 Плоский изгиб
 Рассмотрим деформацию изгиба, выделив
из деформированной балки бесконечно-малый элемент (рис.5.3а). Вследствие
непрерывности деформации по высоте поперечного сечения будет существовать
некоторый промежуточный слой материала, который искривляясь, сохраняет
первоначальную длину
Рассмотрим деформацию изгиба, выделив
из деформированной балки бесконечно-малый элемент (рис.5.3а). Вследствие
непрерывности деформации по высоте поперечного сечения будет существовать
некоторый промежуточный слой материала, который искривляясь, сохраняет
первоначальную длину  . Такой слой материала
называется нейтральным слоем, а линия пересечения
нейтрального слоя с поперечным сечением называется нейтральной (нулевой)
линией. При плоском изгибе нейтральная линия проходит через центр
тяжести (
. Такой слой материала
называется нейтральным слоем, а линия пересечения
нейтрального слоя с поперечным сечением называется нейтральной (нулевой)
линией. При плоском изгибе нейтральная линия проходит через центр
тяжести ( ). Определим продольную
деформацию произвольного волокна удаленного от нейтрального слоя на расстояние
). Определим продольную
деформацию произвольного волокна удаленного от нейтрального слоя на расстояние  :
:  ,
где
,
где  - радиус кривизны изогнутой оси в
данной точке, а
 - радиус кривизны изогнутой оси в
данной точке, а  - кривизна в этой же
точке. Таким образом, деформация по высоте сечения распределена по линейному
закону.
 - кривизна в этой же
точке. Таким образом, деформация по высоте сечения распределена по линейному
закону.
Пусть во всех сечениях  (случай плоского изгиба в
вертикальной плоскости), тогда
 (случай плоского изгиба в
вертикальной плоскости), тогда  где
 где  называется жесткостью
поперечного сечения при изгибе в вертикальной плоскости. Тогда
 называется жесткостью
поперечного сечения при изгибе в вертикальной плоскости. Тогда  .
.
 Наибольшее нормальное напряжение при
плоском изгибе возникает в точке (точках), наиболее удаленных от нейтральной
линии (при
Наибольшее нормальное напряжение при
плоском изгибе возникает в точке (точках), наиболее удаленных от нейтральной
линии (при  ).
). 
Условие прочности по нормальным напряжениям
имеет вид:  , где
, где  -
момент сопротивления при изгибе. Для круга -
 -
момент сопротивления при изгибе. Для круга -  для
прямоугольника -
 для
прямоугольника - 
Продольная деформация меняется по высоте
поперечного сечения по линейному закону  , где
, где  - радиус кривизны, а
 - радиус кривизны, а  - кривизна в данной точке.
 - кривизна в данной точке.
5.3 Дифференциальные зависимости между внутренними усилиями при изгибе
 Рассмотрим бесконечно-малый элемент
стержня длиной
Рассмотрим бесконечно-малый элемент
стержня длиной  (рис. 5.4).  Составим условия
равенства нулю всех сил относительно оси
 (рис. 5.4).  Составим условия
равенства нулю всех сил относительно оси  и
всех моментов относительно точки A:
 и
всех моментов относительно точки A:

Отсюда следует важное соотношение между изгибающим моментом и поперечной силой:
1) если на каком-то участке поперечная сила положительна, то изгибающий момент на этом участке возрастает;
2) если на каком-то участке поперечная сила отрицательна, то изгибающий момент на этом участке убывает;
3) если в какой-то точке поперечная сила равна нулю, то изгибающий момент в этой точке имеет экстремум;
4) если поперечная сила равна нулю на каком-то участке, то изгибающий момент на этом участке постоянен;
5.4 Определение касательных напряжений
Пусть стержень имеет постоянное поперечное
сечение. Вырежем из стержня сектор, ограниченный горизонтальным сечением на
произвольном расстоянии  от нейтральной линии и поперечными
сечениями, удаленными друг от друга на бесконечно-малое расстояние
 от нейтральной линии и поперечными
сечениями, удаленными друг от друга на бесконечно-малое расстояние  , и рассмотрим все напряжения,
действующие по его граням (рис. 5.5).
, и рассмотрим все напряжения,
действующие по его граням (рис. 5.5).
Гипотеза: по ширине сечения  касательные напряжения распределены
равномерно.
 касательные напряжения распределены
равномерно.
 Полагая, что формула для определения
нормальных напряжений
Полагая, что формула для определения
нормальных напряжений  действительна, составим уравнение
равновесия всех сил на ось стержня:
 действительна, составим уравнение
равновесия всех сил на ось стержня:

Интеграл берется по отсеченной площади
поперечного сечения (расположенной выше линии сечения) и равен статическому
моменту этой площади относительно нейтральной оси  ,
а
,
а  , тогда
, тогда  .
Данное выражение называется формулой Д. И. Журавского и выполняется точно, вследствие
принятой гипотезы, только для тонкостенных сечений.
.
Данное выражение называется формулой Д. И. Журавского и выполняется точно, вследствие
принятой гипотезы, только для тонкостенных сечений.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.