Выгодность выбора и применения в конструкциях материалов характе-ризуется показателем A, выражающим их способность нести наиболее высо-кие нагрузки при наименьших деформациях и массе и определяемым по формуле
A = | σ0,2 E | |||
, | (6.8) | |||
γ | ||||
где σ 0,2 – предел текучести; γ – объемный вес; | σ0,2 | – фактор прочности, | |
γ |
E γ – фактор жесткости. Показатель A и показатели прочности и жесткости материалов в отдельности приведены в пособии. Из 11 видов конструкцион-
ных материалов 6 видов имеют одинаковый показатель E γ ⋅10−6 = 25,5, а три
вида близки к нему (E γ ⋅10−6 =25). Однако многие из них не могут нести в ы-сокие нагрузки и деформируются. Поэтому выбирать материалы надо с уче-
σ0,2 | , т. е. по обобщенному показателю прочности и жестко- | |
том показателя γ |
сти A (по этому показателю наилучшие данные имеют сверхпрочные стали и сплавы титана, на достаточно высоком уровне находятся также сплавы алю-миния и магния). Алюминиевые и титановые сплавы, применяемые для бу-
|
|
рильных труб, по обобщенному показателю | σ o F | находятся на уровне проч- | |
γ2 |
ных легированных сталей.
Но выбор материала определяется кроме указанных характеристик и технологическими требованиями. Экономически целесообразна разработка мероприятий для создания достаточно прочных и жестких изделий с исполь-зованием материалов, обладающих невысокими значениями А.
Распространенные конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы:
1) устранение изгиба, замена растяжения сжатием (пример на рис. 6.1).
а б в г
Рис. 6.1. Конструкции литых кронштейнов
2) для деталей, работающих на изгиб – рациональная расстановка опор, исключение невыгодных видов приложения нагрузок (рис. 6.2);
Из схем нагружения, приведенных на рис.6.2, при одних и тех же зна-чениях l и Р максимальный момент в 4 раза меньше у двухопорной балки, чем у консольной, а также меньше и максимальный прогиб; рациональное увеличение моментов инерции (сопротивления), не сопровождаемое возрастанием массы.
а | б | в | ||||||||||||||||||
Рис. 6.2.Схемы нагружения: | ||||||||||||||||||||
а – M max= Pl; f max = | Pl | ; б – M max | Pl | ; f max = | Pl 3 | |||||||||||||||
= | ; | |||||||||||||||||||
г | д EI | е | 48 EI | |||||||||||||||||
в – M max = | Pl | ; f max | = | Pl 3 | . | |||||||||||||||
192 EI | ||||||||||||||||||||
|
|
Из сравнения профилей равных масс (табл. 6.3) следует, что при изгибе наиболее целесообразной является двутавровая форма профиля: прочность по сравнению с исходным профилем №1 увеличивается в 9–12 раз, жесткость в 40–70 раз.
При равной прочности различных профилей двутавровая форма при некотором снижении массы повышает жесткость в 3–3,5 раза по сравнению с исходным профилем.
4) рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие;
5) усиление участков перехода от одного сечения к другому;
6) блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей (подъемные и буровые вышки, основания под тяжелое оборудование)
7) привлечение жесткости соседних деталей;
8) для деталей коробчатого типа (различного рода крышек, колпаков, резервуаров, емкостей и т. д.) рекомендуют применение скорлупчатых, свод-чатых, сферических, яйцевидных и т. п. форм;
6) для деталей типа дисков рекомендуют конические, чашечные, сфе-рические формы, рациональное оребрение, гофрирование;
7) для деталей типа плит рекомендуют коробчатые, двустенные, ячеи-стые и сотовые конструкции (станины насосов, лебедок, роторов и т. д.).
Таблица 6.3. Прочность, жесткость и масса профилей
Номер | m | W | I | |||||||
профиля | ||||||||||
F(m) = const | ||||||||||
2,2 | ||||||||||
W = const | ||||||||||
0,6 | 1,7 | |||||||||
0,33 | ||||||||||
0,2 | ||||||||||
0,12 | 3,5 |
Примечание: F(m) – площадь сечения в функции от массы.
Типовые решения по увеличению жесткости даны в прил. 3, прил.4 (рис.П3.1 и табл.П4.1).
Контрольные вопросы
1. По каким критериям производят оценку материалоемкости?
2. Какие методы используют для снижения металлоемкости?
3. Что такое жесткость изделия и жесткость материала?
4. Какие методы увеличения жесткости применяют в практике конструирования?
5. Охарактеризуйте связь между жесткостью и прочностью конструкций.