Вид НДС | Внешняя силовая нагрузка, ее размерность | Внутренние силы и напряжения, действующие в сечении | Основные показатели деформации | |
активная | реактивная | |||
Растяжение (сжатие) | Сила P, Н | Сила R, Н | Сила N, H Нормальные σ, МПа | Удлинение Δ l, мм |
Срез | Сила P, Н | Сила R, Н | Поперечная сила Q, H Касательные τ, МПа | Смещение а, мм |
Сдвиг | ||||
Кручение | Момент M, Н∙м | Момент Mопор, Н∙м | Крутящий момент Mкр, Н∙м Касательные τ, МПа | Угол поворота сечения Δφ, град |
Изгиб | Сила P, Н Момент M, Н∙м | Сила R, Н Момент Mопор, Н∙м | Поперечная сила Q, H Касательные τ, МПа Изгибающий момент Mизг, Н∙м Нормальные σ, МПа | Прогиб f, мм Угол поворота сечения θ, град |
Примечание: конструкционные и расчетные схемы указанных видов НДС приведены в соответствующих разделах лекционного курса |
Причиной возникновения НДС является смещение под действием внешних сил в упругом теле атомов материала в объеме детали или по какой-либо из ее поверхностей (сечений) от положения равновесия, в результате чего изменяются расстояния между атомами (молекулами) и появляются силы, которые противодействуют деформации и стараются возвратить частицы тела в исходное положение (рис. 1).
|
|
С точки зрения физики усилие представляет собою равнодействующую всех элементарных межатомных сил:
,
где n – общее число атомов, находящихся в плоскости изображенного пунктиром сечения (может быть легко вычислено с учетом периода кристаллической решетки материала и начальной площади сечения стержня ).
Разделив равнодействующую сил межатомного взаимодействия на начальную площадь сечения, получают действующее в сечении напряжение – количественную макроскопическую меру напряженно-деформированного состояния (Н / м 2, Па, КПа, МПа):
Данные напряжения носят название нормальных – т.е. направленных перпендикулярно сечению. Они препятствуют отрыву одной части детали от другой.
Рассмотрим другой вариант – сечение составляет с линией действия силы какой либо угол . В этом случае сила , в соответствии с правилами теоретической механики, может быть разложена на две составляющие – нормальную и касательную:
Это приводит к тому, что в сечении появляется еще один вид напряжений – касательных . Эти напряжения лежат в плоскости сечения и стремятся не допустить сдвига одной части детали относительно другой.
Если внешние силы настолько большие, что не могут быть уравновешены внутренними силами, взаимная связь между частями тела прекращается и происходит его разрушение – образование вместо одной, целой детали 2-х или более ее фрагментов.
|
|
Для того чтобы деталь не разрушилась, возникающие при работе напряжения — и нормальные, и касательные — должны быть меньше допускаемых, гарантирующих целостность детали.
В общем виде условие прочности, гарантирующее целостность детали и приемлемое для всех видов НДС, может быть представлено в следующем виде:
Наиболее часто допускаемые напряжения рассчитывают исходя из предела прочности (временного сопротивления) — напряжения, отвечающее наибольшей нагрузке при испытаниях на растяжение, предшествующей разрушению образца (рис. 1.2):
, МПа
где – начальная площадь поперечного сечения образца, м2.
С учетом того, что в сопротивлении материалов исследуется напряженно-деформируемое состояние в области действия закона Гука (), величина напряжений в опасном сечении не должна превышать допустимых , где kв – коэффициент запаса по пределу прочности.
Принципиально важным моментом является зависимость коэффициента запаса прочности от характера действующей нагрузки и состояния материала (табл. 1.2).
Таблица 1.2