Эту деформацию представим себе как сочетание косого изгиба и чистого сжатия, при котором напряжения суммируются алгебраически:
Тождественную схему деформирования наблюдаем в случае приложения продольной нагрузки F со смещением (эксцентриситетом) относительно центра тяжести поперечного сечения, в точке (zF, yF) (рис.11.2, а). Этот случай получил название внецентренного сжатия 1.
Применив метод сечений, обнаружим в любом поперечном сечении продольную силу N= – F и изгибающие моменты: Му= FzF и Mz= FyF. Таким образом, напряжения можно представить в другом виде:
После введения радиусов инерции формула принимает вид
Так как в точках нейтральной оси сечения σ x = 0, то уравнение этой оси будет
Рис. 11.2
.
1Все выводы, относящиеся к внецентренному сжатию бруса, могут быть применены и к случаю внецентреннего растяжения при замене сжимающей силы -F на +F.
После подстановки в уравнение этой прямой линии последовательно значений координат точки на оси у: z 0 = 0 и у 0 = aу и на оси z: у 0 = 0 и z 0 = az получаем отрезки:
|
|
Минусы указывают на то, что нулевая линия и точка приложения силы F (полюс) располагаются по разные стороны от центра тяжести (рис.8.13, б).
Докажем следующую теорему: при перемещении полюса по прямой нулевая линия вращается около неподвижной точки.
Пусть f – f есть прямая, отсекающая отрезки bу и bz на осях координат (рис.11.3). Примем ее за нулевую линию, тогда координаты соответствующего полюса – точки Q суть
Если, наоборот, силу приложить в точке на линии f – f, то согласно упомянутой выше теореме, напряжение в точке Q окажется равным ну-
лю. Совокупность нулевых линий для всех положений полюса на линии f – f есть пучок прямых, проходящих через точку Q.
Рис. 11.3 Рис.11.4
В частном случае, когда полюс движется по прямой, проходящей через центр тяжести, нулевая линия перемещается параллельно себе, ибо пропорциональное изменение координат уF и zF влечет также пропорциональное изменение отрезков аy и аz.
При уF → 0 и zF → 0 нулевая линия уходит в бесконечность, что соответствует наступлению чистого растяжения (сжатия). При уF → ∞ и zF → ∞ аy → 0 и аz → 0, что соответствует наступлению чистого косого изгиба.
В окрестности центра тяжести существует область, называемая ядром сечения. Если след силы F (или равнодействующей нескольких сил) находится внутри этой области, то нейтральная линия проходит за пределами сечения, и, следовательно, во всех его точках напряжения будут одного знака.
|
|
Покажем построение контура ядра сечения. Пусть нулевая линия совпадает со стороной I контура сечения, отсекая на осях у и z отрезки аy 1 и аz 1 (рис.11.4).
Тогда координаты точки 1 на контуре ядра сечения:
При совпадении нулевой линии с гранью II таким же способом находим координаты точки 2 (zF 2 и уF 2) на контуре ядра сечения. При вращении нулевой линии вокруг вершины А соответствующая ей точка приложения силы F перемещается вдоль отрезка 1–2. Контур ядра сечения будет многоугольником, число сторон которого равно числу сторон сечения бруса.
Читателю предлагается установить, что для прямоугольного сечения с размерами b и h ядро сечения имеет форму ромба с диагоналями, равными b/ 3 и h/ 3, а для круга радиусом r − концентрический круг радиусом r/ 4.
Зная контур ядра сечения, можно определить, будут ли напряжения при заданном положении силы F иметь одинаковые или разные знаки в пределах поперечного сечения бруса. Это важно знать для материалов, не обладающих одинаковой прочностью на растяжение и сжатие. Такими являются бетон, чугун, кирпичная кладка и др.
11.4. Изгиб с кручением брусьев круглого сечения
Такое сочетание внутренних силовых факторов характерно при расчете валов. Задача является плоской, поскольку понятие «косой изгиб» для бруса круглого поперечного сечения, у которого любая центральная ось является главной- неприменимо. В общем случае действия внешних сил такой брус ис-пытывает сочетание следующих видов деформации: прямого поперечного изгиба, кручения и центрального растяжения (сжатия). На рис. 11.5 показан брус, нагруженный внешними силами, вызывающими все четыре вида дефор-мации.
Эпюры внутренних усилий позволяют выявить опасные сечения, а эпюры напряжений – опасные точки в этих сечениях. Касательные напряжения от поперечных сил достигают своего максимума на оси бруса и незначительны для бруса сплошного сечения и ими можно пренебречь, по сравнению с касательными напряжениями от кручения, достигающих своего максимума в периферийных точках (точка в).
Опасным является сечение в заделке, где одновременно имеют большое значение продольная и поперечная силы, изгибающий и крутящий моменты.
Рис. 11.5
Опасной точкой в этом сечении, будет точка, где σх и τху достигают значитель-ной величины (точка В). В этой точке действует наибольшее нормальное на-пряжение от изгиба и касательное напряжение от кручения , а также нормальное напряжение от растяжения
Определив главные напряжения по формуле:
σгл=
находим σred=
(при использовании критерия наибольших касательных напряжений m = 4, при использовании критерия удельной энергии изменения формы m = 3).
Подставив выражения σα и τху, получаем:
σred=
или с учётом того, что Wр=2 Wz, A= (см. 10.4),
σred=
В случае, если вал испытывает изгиб в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в формулу вместо Мz надо подставить Mtot=
Приведенное напряжение σred не должно превышать допускаемого напряжения σadm, определённого при испытаниях при линейном напряжённом состоянии с учётом коэффициента запаса прочности. При заданных размерах и допускаемых напряжениях выполняют поверочный расчёт, Размеры необхо-димые для обеспечения безопасной прочности находят из условия
Wz=