3.3 Модели внешнего нагружения

Как известно, сила – мера механического взаимодействия тел. Если конструкцию или ЭК рассматривать изолировано от взаимодействующих с ними тел, действие последних заменяется силами, которые называются внешними силами. Внешние силы деформируют тело. Внешние силы, действующие на элемент конструкции, подразделяют на три группы (рис.2):

1. Сосредоточенные силы (F) – силы, действующие на небольших участках поверхности детали или элемента конструкции (рис.2-а, в).

2. Распределенные силы (q_1,2) – силы, действующие на значительных участках поверхности (рис.2-а).

3. Объемные или массовые силы – например, силы тяжести, инерции, электромагнитного притяжения (рис. 2-б).

Совокупность внешних сил, действующих на твёрдое тело, называют нагрузкой.

Возможно изменение сил во времени, определяемое условиями эксплуатации и параметрами рабочего процесса изделия: цикличность нагрузки, внезапные удары, имеющие вероятностный характер, вибрации. По характеру длительности действия принято различать нагрузки статические и динамические.

Статическая нагрузка – нагрузка, не изменяющаяся с течением времени (собственный вес конструкции) или изменяющаяся медленно, так что эффектом ускорения можно пренебречь.

Динамическая нагрузка – это нагрузка, учитывающая ускорения взаимодействующих тел. Динамическая нагрузка в отличие от статической меняет свое значение, положение или направление в короткие промежутки времени (движущие нагрузки, ударные, сейсмические и др.), вызывая большие ускорения и силы инерции, что приводит к определенному характеру деформирования и к колебаниям конструкций и сооружений. Динамические нагрузки делят на ударные, повторно-переменные и инерционные. Динамические нагрузки являются функцией времени.

Ударная нагрузка в момент ее приложения обладает определенной кинетической энергией.

Повторно-переменные нагрузки – нагрузки, которые во времени изменяются циклически (например, при вращении валов возникает совместное переменное действие изгиба и кручения).

3.4. Модели разрушения

Под разрушением в СМ понимается переход конструкции в такое состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация становится невозможной. Внешние признаки разрушения проявляются в макроскопическом нарушении сплошности материала под действием чрезмерных внешних нагрузок. Разрушение проявляется также в появлении недопустимых остаточных деформаций и первичных трещин в ответственных конструкциях. При начале разрушения дальнейшая эксплуатация конструкции недопустима во избежание катастрофических последствий.

Модели разрушения – это совокупность условий (уравнений), которые связывают параметры работоспособности изделия или его отдельной части (элемента конструкции) в момент разрушения с параметрами, обеспечивающими прочность.

При этом подразумевается начало перехода от состояния прочности к началу разрушения. Эти условия называют условиями прочности.

а)	б)
в)

Рис.2. Виды нагрузок.

а) нагрузки , действующие на твердое тело:

q₁ – нагрузка, распределенная по линии (Н/м);

q₂ – нагрузка, распределенная по площади (Н/м²);

F₁, F₂ – сосредоточенные силы (Н).

б) нагрузка, распределенная по объему тела Н/м³, G – сила веса;

в) нагрузка, действующая по длине балки

- активные силы:

q – распределенная нагрузка,

М – сосредоточенный момент (Нм),

F – сосредоточенная сила (Н)

• реактивные силы:

R_А – опорная реакция (Н),

М_А – реактивный момент (Нм).

Процесс разрушения сопровождается упругой и пластической деформациями. Различают следующие модели разрушений в зависимости от условий нагружения и вида деформирования.

Статическое разрушение -пластическая деформация развивается при постоянной нагрузке. Характер разрушения – пластический (со значительной остаточной деформацией) или хрупкий (с малой остаточной деформацией).

Длительное статическое разрушение – при значительных температурах развивается ползучесть, пластические деформации увеличиваются с течением времени при постоянной нагрузке, что приводит к разрушению.

Усталостное разрушение - наступает после многократных циклически изменяющихся, нагрузках. Разрушение происходит при отсутствии видимых пластических деформаций. При этом разрушение происходит в том месте детали, где имеется концентратор напряжений, появляется трещина и распространяется по объему материала.

Малоцикловое разрушение – разрушение, которое носит смешанный пластический и хрупкий характер.