1) построить эпюру крутящих моментов
2) построить эпюру касательных напряжений
3) определить грузоподъемность 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:
(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
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.
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:
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
как
.
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
, 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).
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
.
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
. 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
:
,
где
- радиус кривизны изогнутой оси в
данной точке, а
- 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
где
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
).
Условие прочности по нормальным напряжениям
имеет вид: , где
-
момент сопротивления при изгибе. Для круга -
для
прямоугольника -
Продольная деформация меняется по высоте
поперечного сечения по линейному закону , где
- радиус кривизны, а
- кривизна в данной точке.
5.3 Дифференциальные зависимости между внутренними усилиями при изгибе
Рассмотрим бесконечно-малый элемент
стержня длиной
(рис. 5.4). Составим условия
равенства нулю всех сил относительно оси
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
, и рассмотрим все напряжения,
действующие по его граням (рис. 5.5).
Гипотеза: по ширине сечения касательные напряжения распределены
равномерно.
Полагая, что формула для определения
нормальных напряжений
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
, тогда
.
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.