Линейное напряженное состояние
Линейным или одноосным называется напряженное состояние, при котором два из трех главных напряжений равны нулю (рис.4.6).
Примером линейного напряженного состояния может служить осевое растяжение-сжатие.
Рассмотрим задачу определения напряжений в площадке общего положения. Угол наклона этой площадки α будем отмерять от направления s1 до нормали к площадке. Примем, что положительный угол α откладывается против хода часовой стрелки, а отрицательный по ходу часовой стрелки. Направим ось х вдоль нормали, ось у – перпендикулярно ей. Расчетная схема для определения напряжений s x и t ху представлена на рис. 4.7. Получим:
Рис. 4.6 Рис. 4.7
,
где - площадь наклонной площадки;
- площадь поперечного сечения, перпендикулярного к s1;
- полное напряжение, действующее по наклонной площадке.
Учитывая, что, получим:
.
Раскладывая pa на направление осей х и у, получим
,
Рассмотрим площадку b, перпендикулярную площадке a, угол.
Направим ось y по нормали к этой площадке. Нормальные напряжения, действующие по этой площадке равны
|
|
.
Складывая sх и sу, получим sx + sy = s1 = const,т.е. сумма нормальных напряжений по двум взаимно перпендикулярным площадкам величина постоянная и равна главному напряжению.
Касательные напряжения, действующие по наклонной площадке b
,
т.е. справедлив закон парности касательных напряжений.
Нормальные напряжения sx по наклонной площадке a достигают максимального значения при a = 0, т.е. в поперечном сечении.
Касательные напряжения τxy по наклонной площадке a достигают максимального значения при a = ± 450.
Плоским или двухосным называется напряженное состояние, при котором одно из трех главных напряжений равно нулю (рис.4.8).
s1
s1
s2
s2
Рассмотрим задачу определения напряжений в площадке общего положения (прямая задача). Рис. 4.8
.Определим напряжения sx и txy, действующие по любой наклонной площадке a по известным главным напряжениям s1и s2, т.е. решим так называемую прямую задачу теории напряженного состояния.
Для решения этой задачи воспользуемся принципом независимости действия сил. Представим плоское напряженное состояние в виде суммы двух независимых линейных напряженных состояний: первое – при действии только напряжений s1, второе – при действии только напряжений s2(рис.4.9).
s1 |
s1 |
Рис. 4.9 |
a |
s2 |
s1 |
s1 |
s2 |
a |
s2 |
s2 |
a |
b |
sx1 |
txy1 |
sx2 |
txy2 |
sx |
txy |
От каждого из напряжений s1, s2 напряжения sx1, sx2 и txy1, txy2 в произвольной площадке равны
;;
;.
Таким образом, суммируя напряжения, возникшие при каждом линейном напряженном состоянии, получим
|
|
(4.1)
.
Если рассмотреть площадку с углом наклона, перпендикулярную к площадке a, то можно доказать как и для линейного напряженного состояния, что
(4.2)
Суммируя нормальные напряжения, действующие по взаимно перпендикулярным произвольным площадкам, получим
.
Сравнивая величины касательных напряжений, получим
.
Наибольшие касательные напряжения действуют по площадкам, наклоненным к главным под углом a = 45о
.
Рассмотрим частные случаи плоского напряженного состояния:
а) Всестороннее растяжение.
Напряженное состояние, при котором главные напряжения, действующие по граням параллелепипеда равны между собой s1 = s2 = s называется всесторонним растяжением. В этом случае, получим
,
,
,,
то есть, нормальные напряжения в любой произвольной площадке равны между собой s1 = s2 = s х = sу = s, а касательные напряжения равны нулю:,.
б) Чистый сдвиг.
Пусть по граням параллелепипеда действуют главные напряжения,, (рис. 4.10). Определим величины нормальных и касательных напряжений, действующих в площадках, повернутых под углом 45о к главным. Из формул (4.1) получим, что
, ,
,.
Напряженное состояние, при котором по граням выделенного элемента действуют только касательные напряжения, называется чистым сдвигом, а площадки - площадками чистого сдвига.
s2= s |
s |
s |
s1=s |
tyx=-s |
tyx |
txy= s |
txy |
Рис. 4.10 |
txy |
txy |
tyx |
tyx |
g |
Рис. 4.11 |
Экспериментально установлено, что существует линейная зависимость между углом сдвига g и касательными напряжениями t (рис. 4.11), являющаяся законом Гука при сдвиге
,
где G – модуль сдвига, характеризующий способность материала сопротив-
ляться сдвиговой деформации, т.е. характеризующая жесткость матери-
ала при сдвиге.
Величина модуля сдвига связана с модулем упругости при растяжении Е и коэффициентом Пуассона ν соотношением
.
Рассмотрим задачу определения главных напряжений s1 и s2, а также положения главных площадок (угол a0) по известным напряжениям s х, s у, t ху, действующим по двум взаимно перпендикулярным площадкам (обратная задача).
Пусть для определенности положим s х > s у. Из формул (4.1) и (4.2), можно получить
,
. (4.3)
Исключив из этих формул s1 и s2, получим формулу для определения угла наклона главных площадок относительно заданной площадки. Обозначим этот угол a0. Так как направление отсчета углов a для площадки произвольного положения и угла a0 противоположны, то в полученной формуле необходимо изменить знак. Положительный угол a0 будем откладывать от направления внешней нормали к площадке, по которой действуют большие нормальные напряжения s х против хода часовой стрелки.
.
Откуда
.
Для определения и возведем каждое из соотношений (4.3) в квадрат и сложим их:
,
тогда
,
а так как, то из двух последних соотношений получим:
,
. (4.4)
Большее главное напряжение s1 действует на площадке с углом наклона a0, вторая же главная площадка с напряжением s2 ей перпендикулярна и ее нормаль наклонена под углом к направлению s х. Положение главных площадок и направления главных напряжений представлены на рис. 4.12.
a0 |
sx |
s1 |
txy |
sy |
tyx |
s2 |
sx |
txy |
tyx |
sy |
Рис. 4.12 |