Техническая механика (стр. 6 )

       Тема: Построение эпюр продольных сил и нормальных напряжений. Определить перемещение свободного конца бруса. Расчет на прочность при растяжении (сжатии).

Цель работы. Закрепить знания, полученные при изучении темы «Растяжение и сжатие», определить внутренние силовые факторы, научиться строить эпюры продольных сил и нормальных напряжений по длине бруса, а также знать и применять условие прочности при растяжении (сжатии).

Теоретические сведения. Метод сечений заключается в том, что тело мысленно разрезается плоскостью на две части, любая из которых отбрасывается и в замен ее к сечению оставшейся части прикладываются внутренние силы, действовавшие до разреза; оставленная часть рассматривается как самостоятельное тело, находящееся в равновесии под действием внешних и приложенных к сечению внутренних сил.

Растяжением или сжатием называется такой вид деформации, при котором в любом поперечном сечении бруса возникает только продольная сила N.

При растяжении и сжатии в поперечных сечениях бруса возникают только нормальные напряжения, равномерно распределенные по сечению и вычисляемые по формуле

  , Па                                                        

где N – продольная сила, Н; S – площадь поперечного сечения бруса, м2.

Абсолютное удлинение или укорочение прямо пропорционально продольной силе, длине и обратно пропорционально жесткости сечения бруса

                       , м                                                

где ∆l -  абсолютное удлинение, м; l – длина участка бруса, м.

       Условие прочности детали конструкции заключается в том, что наибольшее возникающее в ней напряжение (рабочее) не должно превышать допускаемого:

                        ,                                                        

где уmax – максимальное напряжение, МПа.

Условие прочности можно записать в другом виде, через коэффициент запаса прочности:

                        ,                                                        

где n – коэффициент запаса прочности.

Пример решения задачи. Построить эпю­ры продольных сил и нор­мальных напряжений стерж­ня (рисунок 4.1)

Решение

Разобьем стержень на участки. Границы участков определяются сече­ниями, где изменяются попе­речные сечения или прило­жены нагрузки. Мысленно рассечем стержень в преде­лах участка I и отбросим верхнюю часть (рисунок 4.1а). Для уравновешивания силы Р1=40кН необходимо, чтобы равнодействующая внутрен­них сил (продольная сила NI) равнялась внешней силе P1:

, кН.

       

Рисунок 4.1 Участки бруса (стержня)

Аналогично мысленно рас­сечем стержень в пределах участка 2 и отбросим верхнюю часть (рисунок 4.1б). Чтобы уравновесить внешние силы Р1 = 40 кН и Р2 = 60 кН, равнодействующая внутренних сил (продольная сила N2) должна равняться алгебраиче­ской сумме сил Р1 и Р2:

N2=Р1 – Р2 = 40 – 60 =–20 кН.

Очевидно, продольная си­ла на участке 3 равна про­дольной силе на участке 2. Это объясняется тем, что в пределах участка 3 не при­ложены силы (рисунок 4.1в). Из­менение площади на величине продольной силы не сказы­вается.

Аналогично для остальных участков получим:

на участке 4 (рисунок 4.1г)

N4=Р1 – Р2+Р3= 40 – 60 + 80=60 кН;

на участке 5 (рисунок 4.1д)

N5 =Р1 – Р2+Р3– Р4= 40 – 60 + 80 – 40=20 кН;

на участке 6 (рисунок 4.1е)

N6 =Р1 – Р2+Р3– Р4+Р5= 40 – 60 + 80 – 40 + 80=100 кН.

В соответствии с полученными данными строим эпюру про­дольных сил (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 Эпюры продольных сил и нормальных напряжений

Для определения напряжений в поперечных сечениях стержня необходимо значения продольных сил разделить на площади соответствующих сечений. Определим площади поперечных сече­ний стержня.

Площадь поперечного сечения стержня в пределах 1 и 2 участков

, м2,

аналогично,

, м2,

, м2.

Находим напряжения на отдельных участках стержня:

МПа;

Мн/м2 (МПа);

МПа;

МПа;

Мн/м2 (МПа);

МПа.

В соответствии с полученными значениями напряжений строим эпюру нормальных напряжений (рисунок 4.2).

Определить абсолютное удлинение стержня. Модуль упругости материала стержня Е=2,1·105 Мн/м2 (МПа).

Абсолютное удлинение стержня равно алгебраической сумме абсолютных удлинений его участков

.

Нам известны:

продольные силы:

N1 =40 кН;        N2 =-20 кН;        N3 =-20 кН;         N4 =60 кН;        N5 =20 кН;        N6 =100 кН;

площади поперечных сечений стержня:

SI=S2=341·10-6 м2;        S3=S4=1256·10-6 м2;        S5 =S6 =706·10-6 м2

и длины участков стержня:

l1 = l2 =l6 =1 м;                l3 =1,5 м;        l4 = 0,5 м;        l5 =2 м.

Подставив значения величин, получим

Дl=0,60·10-3–0,30·10-3–0,11·10-3+0,11·10-3+0,27·10-3+0,65·10-3=1,22·10-3 м,

или

Дl=1,22 мм.

Задание

Для ступенчатого бруса построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений, определить абсолютное удлинение бруса (рисунок 4.3), варианты заданий приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1  Варианты заданий

Вариант	Схема	P1	P2	P3	F1	F2	a	b	c
кН	площадь, см2	м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1 2 3 4	а	32 28 22 19	18 16 8 24	24 12 26 15	4,0 3,2 3,4 2,6	3,0 2,0 2,5 2,8	0,7 0,6 0,5 0,8	0,4 0,5 0,6 0,6	0,8 0,7 0,9 0,5
5 6 7 8	б	30 27 24 26	12 15 14 16	16 10 8 11	3,6 3,8 3,5 2,8	5,2 4,8 4,2 4,0	0,4 0,6 0,3 0,7	0,9 0,7 0,8 0,9	0,6 0,8 0,7 0,4

Продолжение таблицы 4.1

9 10 11 12	в	25 31 18 23	12 26 15 25	18 14 16 19	3,3 4,1 3,2 3,4	2,5 3,4 2,6 2,5	0,5 0,7 0,6 0,8	0,5 0,8 0,6 0,4	0,9 0,5 0,8 0,7
13 14 15 16	г	16 18 22 20	8 10 12 9	15 12 17 18	2,2 2,8 3,0 2,6	2,1 1,9 2,2 2,1	0,4 0,6 0,5 0,7	0,7 0,5 0,6 0,4	0,9 0,8 0,7 0,8
17 18 19 20	д	24 18 25 19	16 10 18 11	20 14 22 15	2,3 2,2 2,8 2,0	1,8 1,5 1,9 1,4	0,9 0,8 0,7 0,8	0,3 0,2 0,6 0,5	0,6 0,7 0,9 0,6
21 22 23 24	е	25 30 27 22	13 15 11 9	6 8 10 7	3,0 4,2 3,2 3,1	3,5 4,8 3,4 3,6	0,4 0,6 0,7 0,5	0,8 0,9 0,7 0,9	0,5 0,4 0,6 0,7
25 26 27 28	ж	20 24 19 25	12 10 14 13	15 14 16 17	3,0 4,2 3,2 3,1	2,2 2,1 1,8 1,7	0,7 0,8 0,4 0,5	0,4 0,3 0,7 0,9	0,9 0,6 0,8 0,7
29 30 31 32	з	18 16 20 22	16 20 15 18	8 12 11 14	2,6 1,2 1,8 1,6	3,0 1,8 2,2 1,9	0,8 0,7 0,9 0,6	0,5 0,6 0,3 0,4	0,6 0,8 0,7 0,9