Определение напряжений

Ранее получены формулы для определения от и : , . По аналогии можно записать формулу для от (а). В этих формулах х и у координаты точки сечения бруса, где определяется . Очевидно, что при (сжатие) получается. Поэтому в формуле (а) стоит знак минус. При одновременном действие в сечении бруса , и суммарные напряжения в любой точки сечения с координатами х и у можно определить так

(7.2)

Это одна из основных формул сопротивления материалов. В (7.2) , , и координаты точки сечения х и у надо подставлять со своими знаками. Если получится, значит в этой точке сечения – растяжение, если то сжатие. Это важно при оценке прочности хрупких материалов.

От в сечении бруса возникают , определяемые по известной формуле Журавского . Аналогично, от возникают , определяемые по формуле . От кручения круглых валов возникают , определяемые известной формулой . Направления касательных напряжений от , и были выяснены раньше. В каждой точки сечения эти напряжения надо суммировать геометрически (векторно), т.е. суммарные напряжения

0  Рис.7.4

На рис. 7.4 показаны правила геометрического сложения напряжений , и в т.В круглого сечения бруса. Определив в этой же точке «В» от по (7.2), можно оценить прочность в точке «В» сечения по одной из теорий прочности. Например, по III теории прочности получим

Рассмотрим подробнее частные случаи сложного сопротивления бруса.

I. Косой изгиб

Здесь в поперечных сечениях бруса могут быть , , , а . Косой изгиб может быть чистым, когда вдоль бруса отсутствуют = и поперечным, когда и , а переменны по длине бруса. Косой изгиб может быть плоским, когда вся внешняя нагрузка лежит в одной плоскости и не плоским, когда нагрузки в плоскостях и изменяются произвольно по длине бруса.

Величины и знаки , , и в любом сечении бруса определяются из эпюр. Введем понятие полный изгибающий момент, определяемый так

(7.3)

Если и представить в виде векторов (длина векторов определяет величину и , а направления по правилу правого «буравчика»), то есть геометрическая сумма и , что показано на рис. 7.5. Положение удобно определять углом , который он составляет с осью ( отсчитывается от оси против хода часовой стрелки). Из рис. 7.5 видно:

Рис.7.5

(1) Отсюда (2) Нормальное напряжение в любой точки сечения с координатами и определяется по формуле (7.2), полагая в ней (7.4)

С учетом (1) (7.5)

Рис.7.6

В формулы (7.4) и (7.5) все надо подставить со своими знаками: знаки и берутся из эпюр, всегда. Величина и знак определяется из формулы (2). Во многих случаях известны величина и направле-ние поперечной нагрузки ( или ), направлениях их будем определять углом , отсчи-тываемый от оси (рис. 7.6),

против хода часовой стрелки. В произвольном сечении балки на расстоянии от торца от возникнет , который с направлением составляет угол 90, а с осью угол , т.е. . Зная и , можно вычислять по (7.5). Но проще силу разложить по осям и , т.е. , (видно из рис. 7.6). От строят эпюру , а от эпюру и далее определяют по формуле (7.4). Аналогично и от погонной нагрузки : , от эпюру , от эпюру .

Нейтральная ось (Н.О)

Нейтральная ось – линия в сечении балки, относительно которой сечение поворачивается, оставаясь плоским (гипотеза Бернулли). Обозначим координаты точек на нейтральной оси через . Согласно определения Н.О в этих точках . Подставляя , в (7.5), сокращая на получим

(3)

Это уравнение Н.О. Видно, что это уравнение прямой линии проходящей через начало координат, т.к. при должно быть . Положение Н.О удобно определять через угол ее наклона к одной из осей координат. Обозначим угол наклона Н.О к оси (рис. 7.7), против хода часовой стрелки.

Рис.7.7

Из рис. 7.7 видно (4) Из (3) следует (5) С учетом (4) получим (7.6) Плоскость изгибающей нагрузки перпендику-лярна , а плоскость изгиба (прогибов) пер-

пендикулярна Н.О. При эти плоскости не совпадают , поэтому эту деформацию и назвали «косой изгиб». При (сечение квадратное, круглое и т.д.) и косого изгиба не будет.

Определение напряжений. Расчеты на прочность.

а Рис.7.8

Для исследования напряженного состояния в сечении бруса строят эпюры в аксонометрии (Эп. ) или в плоскости сечения (Эп. ), используя формулы (7.4) или (7.5), эпюры показаны на рис. 7.8. Для построения эпюр вычисляют в угловых точках сечения ( ) и откладывают их в масштабе с учетом знаков ( – растяжение, наружу от сечения, (–) – сжатие - противоположно).

Далее точки соединяют прямыми линиями, т.к. из (7.4) и (7.5) видно, что линейны по координатам и . Итак, Н.О делит сечение на две зоны, растянутую и сжатую (–) (рис. 7.8).

Для построение эпюры перпендикулярно Н.О проводят линию . В т. « » в масштабе откладывают , а в т. «а» и далее соединяют их прямой линией.

Из эпюр видно, что экстремальные напряжения возникают в точках сечения, наиболее удаленных от Н.О. Это будут т.1 и т.3. В них и по (7.4)

где

Итак, в т.1 и т.3 сечения равны по величине и противоположны по знаку

(7.7)

Здесь знак выбирают по физическому смыслу, в растянутой зоне, (–) в сжатой. Аналогично определяются в других сечения с выступающими углами.

Для балок из пластичных материалов, одинаково работающих на растяжение и сжатие, условие прочности в опасном сечении бруса можно записать так с учетом (7.7)

(7.8)

При подборе размеров сечения балки используем вторую формулу (7.8), при этом надо задать отношение с учетом рационального расположения сечения: для прямоугольника при (размер вдоль оси ) если то ; если , то размер вдоль оси (т.е. повернуть на 90) и . Условие прочности одно, а неизвестных два и , поэтому сами задаем отношение . Зная по (7.8) вычисляем необходимый , а по нему размеры и с учетом отношения . При подборе стандартных двутавров и швеллеров аналогично: если сечение располагаем вертикально, как в таблицах ГОСТа и берем: для двутавров , для швеллеров ; если сечение располагаем горизонтально и для двутавров , для швеллеров . Далее по (7.8) находимый необходимый и по нему стандартный номер профиля (в первом случае , во втором ). Определив номер профиля, делаем его проверку по первой формуле (7.8), подставляя табличные значения и из ГОСТа с учетом вышеуказанного в скобках. Можно учесть , добавив .

Для произвольного сечения условия прочности имеют вид : надо найти наиболее удаленные от Н.О точки сечения, найти в них и сравнить их с допускаемыми.

Для балок из хрупких материалов отдельно делается проверка прочности в растянутой (р) и сжатой (сж) зонах, т.к. для них . Размеры произвольного сечения определяются методом попыток (подбором). При каждой попытке необходимо уточнить положение Н.О и координаты точек сечения с .

Определение прогибов

Определяют закон изменения прогибов в плоскости как указано в разделе 5, используя известное уравнение и метод Клебша. Далее определяют прогибы в горизонтальной плоскости используя метод Клебша и аналогичное уравнение . Полный прогиб « » в любом сечении балки найдем геометрическим сложеним прогибов и в каждом сечении: . Вычислив « » в нескольких сечениях по длине балки, строят изогнутую ось балки и проверяют ее жесткость.