9. DZIAŁANIE SIŁY NORMALNEJ



Podobne dokumenty
Część 1 9. METODA SIŁ 1 9. METODA SIŁ

WYZNACZANIE MODUŁU SPRĘŻYSTOŚCI POSTACIOWEJ G ORAZ NAPRĘŻEŃ SKRĘCAJĄCYCH METODĄ TENSOMETRYCZNĄ

s Dla prętów o stałej lub przedziałami stałej sztywności zginania mianownik wyrażenia podcałkowego przeniesiemy przed całkę 1 EI s

Skręcanie prętów naprężenia styczne, kąty obrotu 4

PODSTAWY MECHANIKI OŚRODKÓW CIĄGŁYCH

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

1. Wykres momentów zginających M(x) oraz sił poprzecznych Q(x) Rys2.

Naprężenia styczne i kąty obrotu

MES1pr 02 Konstrukcje szkieletowe 2. Belki

LVI Olimpiada Matematyczna

Materiały pomocnicze do wykładów z wytrzymałości materiałów 1 i 2 (299 stron)

Rachunek całkowy - całka oznaczona

Przykład Łuk ze ściągiem, obciążenie styczne. D A

i odwrotnie: ; D) 20 km h

9. PODSTAWY TEORII PLASTYCZNOŚCI

α k = σ max /σ nom (1)

Defi f nicja n aprę r żeń

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

8. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Zadania do rozdziału 3. Zad.3.1. Rozważmy klocek o masie m=2 kg ciągnięty wzdłuż gładkiej poziomej płaszczyzny

Blok 2: Zależność funkcyjna wielkości fizycznych

SKRĘCANIE WAŁÓW OKRĄGŁYCH

RUCH FALOWY. Ruch falowy to zaburzenie przemieszczające się w przestrzeni i zmieniające się w

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

Całki krzywoliniowe wiadomości wstępne

Zasada ruchu środka masy i zasada d Alemberta 6

Blok 4: Dynamika ruchu postępowego. Równia, wielokrążki, układy ciał

Zad. 4 Oblicz czas obiegu satelity poruszającego się na wysokości h=500 km nad powierzchnią Ziemi.

Siły wewnętrzne - związki różniczkowe

4. Elementy liniowej Teorii Sprężystości

Wytrzymałość Materiałów

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Wytrzymałość Materiałów

Programowanie celowe #1

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

1 Symulacja procesów cieplnych 1. 2 Algorytm MES 2. 3 Implementacja rozwiązania 2. 4 Całkowanie numeryczne w MES 3. k z (t) t ) k y (t) t )

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Obliczanie naprężeń stycznych wywołanych momentem skręcającym w przekrojach: kołowym, pierścieniowym, prostokątnym 7

Materiały do wykładu na temat Obliczanie sił przekrojowych, naprężeń i zmian geometrycznych prętów rozciąganych iściskanych bez wyboczenia.

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

1. Funkcje zespolone zmiennej rzeczywistej. 2. Funkcje zespolone zmiennej zespolonej

Wprowadzenie do WK1 Stan naprężenia

SPRĘŻYNA DO RUCHU HARMONICZNEGO V 6 74

14. WIADOMOŚCI OGÓLNE

Wykłady z Matematyki stosowanej w inżynierii środowiska, II sem. 3. CAŁKA POTRÓJNA

4. Czyste zginanie. 4.1 Podstawowe definicje M P. Rys Moment statyczny siły względem punktu.

{H B= 6 kn. Przykład 1. Dana jest belka: Podać wykresy NTM.

WYKŁAD 6 KINEMATYKA PRZEPŁYWÓW CZĘŚĆ 2 1/11

1 Charakterystyka ustrojów powierzchniowych. Anna Stankiewicz

Prognozowanie naprężeń w przewodach linii elektroenergetycznych napowietrznych na terenach objętych szkodami górniczymi

( L,S ) I. Zagadnienia

Wytrzymałość Materiałów

Lista 6. Kamil Matuszewski 13 kwietnia D n =

2.1. Postać algebraiczna liczb zespolonych Postać trygonometryczna liczb zespolonych... 26

Przykład 4.1. Ściag stalowy. L200x100x cm 10 cm I120. Obliczyć dopuszczalną siłę P rozciagającą ściąg stalowy o przekroju pokazanym na poniższym

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

Politechnika Śląska w Gliwicach Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych Zakład Podstaw Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Energetycznych

Liczba godzin Liczba tygodni w tygodniu w semestrze

Laboratorium wytrzymałości materiałów

WSTĘP DO TEORII PLASTYCZNOŚCI

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów studia niestacjonarne I-go stopnia, semestr zimowy

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

TENSOMETRIA ZARYS TEORETYCZNY

PYTANIA KONTROLNE STAN NAPRĘŻENIA, ODKSZTAŁCENIA PRAWO HOOKE A

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Pochodne cząstkowe i ich zastosowanie. Ekstrema lokalne funkcji

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2015/16

Analiza częstościowa sprzęgła o regulowanej podatności skrętnej

Zmiany zagęszczenia i osiadania gruntu niespoistego wywołane obciążeniem statycznym od fundamentu bezpośredniego

1 Przekształcenie Laplace a

λ = 92 cm 4. C. Z bilansu cieplnego wynika, że ciepło pobrane musi być równe oddanemu

Testy dotyczące wartości oczekiwanej (1 próbka).

TARCZE PROSTOKĄTNE Charakterystyczne wielkości i równania

Politechnika Białostocka

Całki podwójne. Definicja całki podwójnej. Jacek Kłopotowski. 25 maja Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej

5.1. Kratownice płaskie

Ćwiczenie 39 KLOCEK I WALEC NA RÓWNI POCHYŁEJ - STATYKA.

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Numeryczne metody analizy konstrukcji

STAN NAPRĘŻENIA. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

SPRAWDZENIE SG UŻYTKOWALNOŚCI (ZARYSOWANIA I UGIĘCIA) METODAMI DOKŁADNYMI, OMÓWIENIE PROCEDURY OBLICZANIA SZEROKOŚCI RYS ORAZ STRZAŁKI UGIĘCIA

DZIAŁANIE MOMENTU SKRĘCAJĄCEGO ZALEśNOŚCI PODSTAWOWE Podstawy teorii skręcania swobodnego prętów spręŝystych

11. WŁASNOŚCI SPRĘŻYSTE CIAŁ

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Geometria. Rozwiązania niektórych zadań z listy 2

Zestaw pytań z konstrukcji i mechaniki

5. Indeksy materiałowe

Kombinacje liniowe wektorów.

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Wzór Żurawskiego. Belka o przekroju kołowym. Składowe naprężenia stycznego można wyrazić następująco (np. [1,2]): T r 2 y ν ) (1) (2)

Ścinanie i skręcanie. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Al.Politechniki 6, Łódź, Poland, Tel/Fax (48) (42) Mechanika Budowli. Inżynieria Środowiska, sem. III

Projekt nr 1. Obliczanie przemieszczeń z zastosowaniem równania pracy wirtualnej

Wykłady z Matematyki stosowanej w inżynierii środowiska, II sem. 2. CAŁKA PODWÓJNA Całka podwójna po prostokącie

Określenie maksymalnych składowych stycznych naprężenia na pobocznicy pala podczas badania statycznego

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

Transkrypt:

Część 2 9. DZIŁIE SIŁY ORMLEJ 1 9. DZIŁIE SIŁY ORMLEJ 9.1. ZLEŻOŚCI PODSTWOWE Przyjmiemy, że materiał pręta jet jednorodny i izotropowy. Jeśli ponadto założymy, że pręt jet pryzmatyczny, to łuzne ą wzory podane przy omawianiu próby rozciągania i ścikania dla zakreu liniowo-prężytego. Przyjęliśmy wówcza hipotezę płakich przekrojów i założenie o pokrywaniu ię głównych oi naprężeń i odkztałceń z układem oi przechodzących przez geometryczną oś pręta. Zanim przejdziemy do wzorów na naprężenia, odkztałcenia i przemiezczenia, wprowadzimy zamiat układu oi x 1, x 2, x 3 układ oi x, y, z. Wpółrzędne wektora przemiezczenia u 1, u 2, u 3 oznaczymy odpowiednio u, v, w. Ry. 9.1 Rozważymy pręt o długości l, poddany czytemu rozciąganiu (ry. 9.1). Oznacza to, że na długości pręta wykre ił normalnych jet tały, a pozotałe iły wewnętrzne ą równe zeru. Zgodnie z zaadą de Saint-enanta nie precyzujemy bliżej poobu przyłożenia iły i pominiemy analizę ewentualnych zaburzeń na końcach pręta. Założymy ponadto, że oś pręta na lewym końcu jet unieruchomiona, a na końcu prawym może ię przeuwać tylko wzdłuż oi x. Geometrię odkztałcenia ilutrują linie przerywane na ry. 9.1a, d. Stoownie do wzorów (8.1) iłę normalną definiujemy natępująco: def = σ x ( y, z ) d, gdzie σ x = σ 11. (9.1) Definicja ta jet łuzna dla dowolnego prawa rozkładu naprężeń normalnych σ x. Jeśli jednak obowiązuje hipoteza płakich przekrojów, a materiał pręta jet jednorodny, to ze związków fizycznych wynika równomierny rozkład naprężeń σ x w obrębie przekroju. Wobec tego σ x można wyłączyć przed znak całki: ndrzej Gawęcki - Mechanika materiałów i kontrukcji prętowych 2003r.

Część 2 9. DZIŁIE SIŁY ORMLEJ 2 = σx d= σ x, tąd σ x =. (9.2) Pozotałe wpółrzędne tenora naprężenia ą równe zeru, a tan naprężenia związany z oiami x, y, z obrazuje macierz: σ x 0 0 = 0 0 0 0 0 0 Ponieważ oie x, y, z ą głównymi oiami odkztałceń, więc odkztałcenia kątowe ą równe zeru, a odkztałcenia liniowe oblicza ię ze związków fizycznych (wzory (4.3)): σ ε x x = E = E, (9.4) ν εy = εz = ν εx =. (9.5) E Iloczyn E nazywa ię ztywnością rozciągania (ścikania) przekroju. Macierz e ma potać: (9.3) εx 0 0 e = 0 νε x 0. (9.6) 0 0 νεx Przemiezczenia obliczymy ze związków geometrycznych. Z hipotezy płakich przekrojów wniokujemy, że wpółrzędna u 1 = u jet tylko funkcją x. Wobec tego mamy: tąd: ε ux ( ) du v w = =, ε =, ε =, x dx y z x y z u= u( x) = εxdx+ C = E x + 1 C 1, ν v = v( x, y, z) = ε ydy+ C x z = E y + 2(, ) C 2( x, z ), ν w= wxyz (,, ) = εzdz+ C( xy, ) = E z + 3 C 3( x, y ). Stałe całkowania trzeba obliczyć z warunków brzegowych oraz przyjętej kinematyki odkztałcenia. ajbardziej intereują na oczywiście przemiezczenia u(x). Ponieważ u(0) = 0 (lewy koniec pręta jet unieruchomiony), więc C 1 = 0. Okazuje ię, że tałe C 2 i C 3 też ą równe zeru. Otatecznie otrzymujemy: uxyz ux E x (,, ) = ( ) =, vxyz (,, ) vy ( ) E y = = ν, wxyz (,, ) = wz ( ) = E z ν. (9.7) Pełne wyprowadzenie wzorów (9.7) zawiera podręcznik Piechnika [34]. ndrzej Gawęcki - Mechanika materiałów i kontrukcji prętowych 2003r.

Część 2 9. DZIŁIE SIŁY ORMLEJ 3 Ry. 9.2 Wzytkie podane wyżej zależności ą ściłe tylko dla pręta pryzmatycznego. W przypadku prętów o zmiennym przekroju nie ą pełnione warunki brzegowe dla naprężeń. Łatwo ię o tym przekonać, układając równania równowagi dla elementu położonego przy krawędzi przekroju (ry. 9.2b). Warunki na powierzchni (p i = σ jin j ) wymagają, by w pobliżu krawędzi pręta wytępowały również naprężenia tyczne τ xz i normalne σ z (ry. 9.2c). Przy łagodnej zmianie przekroju wartości te ą jednak pomijalnie małe, a wykre naprężeń normalnych σ x jet prawie równomierny (por. ry. 9.2c). Przejdziemy obecnie do zagadnień energetycznych. Obliczymy najpierw wartość całki objętościowej z iloczynu tenorów naprężenia i odkztałcenia przy działaniu iły normalnej. Jeśli przyjmiemy, że w każdym punkcie dowolnego przekroju pręta wytępują tylko naprężenia normalne σ 11 = σ x, to całkę tę można zapiać natępująco: σijεij d = σxεx d. Całkę względem objętości zamienimy na całkę iterowaną: σ ε ij ij d = σxεx d d, gdzie jet długością pręta (może to być również pręt łabo zakrzywiony), a d elementem łuku mierzonym na oi pręta. Gdy obowiązuje prawo płakich przekrojów, to odkztałcenie ε x w obrębie danego przekroju jet tałe, co pozwala wyłączyć je przed całkę względem. Zatem: σijεijd = ε x σxd d = λ σxd d, gdzie λ = ε x, i oznacza wydłużenie względne oi pręta. Całka w nawiaie, toownie do definicji (9.1), jet iłą normalną. ależy podkreślić, że definicja ta jet łuzna dla zupełnie dowolnego rozkładu naprężeń normalnych σ x (, y, z). Wobec tego ndrzej Gawęcki - Mechanika materiałów i kontrukcji prętowych 2003r.

Część 2 9. DZIŁIE SIŁY ORMLEJ 4 σijεij d = ( ) λ( ) d. (9.8) by powyżze równanie było prawdziwe, wytarcza tylko, że jet pełniona hipoteza płakich przekrojów. Materiał pręta może być nieliniowo-prężyty lub nieprężyty i w obrębie przekroju niejednorodny. Wielkości i λ ą w ogólności zmienne na długości pręta. Obliczymy teraz energię prężytą U, zmagazynowaną wewnątrz pręta. Stoownie do wzoru (6.8) oraz na podtawie wzoru (9.8) otrzymujemy: U = ij ij d d 1 1 σ ε = 2 2 λ. (9.9) Przy działaniu iły normalnej na jednorodny, izotropowy pręt prężyty odkztałcenie ε x = λ możemy wyrazić przez iłę oraz ztywność E według wzoru (9.4). Wówcza 2 1 1 2 U = d lub U = E d 2 λ λ. (9.10) E 2 Zależność (9.8) łuży również do obliczenia pracy rzeczywitej iły na wirtualnym wydłużeniu λ (por. prawa trona wzoru (3.2)): σijεij d = λd. (9.11) Podobnie uzykujemy wyrażenie na pracę wirtualnej iły na rzeczywitym odkztałceniu ε x = λ: σijεij d = λd. (9.12) 9.2. GŁE ZMIY PRZEKROJU. KOCETRCJ PRĘŻEŃ W przypadku nagłych zmian przekroju pręta przyjęcie równomiernego rozkładu naprężeń normalnych σ x jet już niewłaściwe. W miejcach zmian przekroju kładowe naprężeń tycznych i normalnych w pozotałych kierunkach ą znaczne. a krawędziach otworów i wcięć powtają bardzo duże naprężenia normalne σ x (ry. 9.3), wielokrotnie więkze od naprężeń średnich, obliczonych dla równomiernego rozkładu. Obliczenia dla takich prętów należy przeprowadzać na gruncie teorii prężytości i platyczności. Wpływ promienia krzywizny zaokrąglenia krawędzi w miejcu zmiany przekroju ilutruje ry. 9.3b c. Ry. 9.3 ndrzej Gawęcki - Mechanika materiałów i kontrukcji prętowych 2003r.

Część 2 9. DZIŁIE SIŁY ORMLEJ 5 Gdy R = 0 (krawędź otra), to naprężenia σ x dążą do niekończoności. Warto o tym pamiętać podcza projektowania kontrukcji. Zmniejzenie naprężeń uzykujemy nawet wówcza, gdy ołabimy przekrój przez nawiercenie otworów na krawędzi zmiany przekroju (por. ry. 9.3d). Ry. 9.4 Jeżeli materiał pręta jet kruchy, to po oiągnięciu przez naprężenia normalne wytrzymałości na rozciąganie natępuje pęknięcie rozdzielcze i nagłe znizczenie kontrukcji. Jeżeli materiał jet ciągliwy, to obzar koncentracji naprężeń topniowo uplatycznia ię w miarę wzrotu iły (por. ry. 9.4). Widzimy więc, że dla materiału ciągliwego oiągnięcie przez naprężenia granicy platyczności nie oznacza jezcze znizczenia. Jako znizczenie przyjmuje ię oiągnięcie tzw. nośności granicznej ( = P ), kiedy natąpi uplatycznienie całego przekroju ołabionego otworem lub wcięciem. Trzeba jednak pamiętać, że pod wpływem obciążeń dynamicznych materiał ciągliwy zwiękza wą kruchość. W tych przypadkach nieuwzględnienie koncentracji naprężeń może prowadzić do niepodziewanego znizczenia. a zakończenie możemy formułować natępujące uwagi: w miejcach nagłych zmian przekroju wytępuje piętrzenie naprężeń, które jet groźne dla materiałów kruchych lub obciążonych dynamicznie materiałów ciągliwych, gdy materiał jet ciągliwy, to przy tatycznym obciążeniu natępuje wyrównywanie naprężeń, a znizczeniu towarzyzą widoczne deformacje, przekroje ołabione wcięciami (otworami) mają mniejzą zdolność do przenozenia obciążeń, a o nośności pręta decyduje najmniejzy przekrój, duże złagodzenie efektu koncentracji uzykuje ię wówcza, gdy zmiana przekroju przebiega w poób płynny, a zaokrąglenia mają możliwie duży promień krzywizny. Wnioki dotyczące gwałtownych zmian przekroju mają charakter ogólny i obowiązują również podcza działania innych ił wewnętrznych. ndrzej Gawęcki - Mechanika materiałów i kontrukcji prętowych 2003r.

Część 2 9. DZIŁIE SIŁY ORMLEJ 6 Ry. 9.5 Problem piętrzenia naprężeń wiąże ię z pojęciem wypukłości zbioru. Cechą zbioru wypukłego jet to, że odcinek łączący dwa dowolne punkty zbioru leży wewnątrz zbioru. Jeżeli można znaleźć takie odcinki, które nie mają tej właności, to dany zbiór jet niewypukły. Przykłady zbiorów wypukłych i niewypukłych podano na ryunku 9.5. Ogólnie biorąc, koncentracji naprężeń można ię podziewać tam, gdzie zbiór punktów tworzących ciało jet niewypukły. Do takich przypadków oprócz otworów lub wcięć zaliczamy również miejca przyłożenia obciążeń kupionych. Wynika to tąd, że obciążenia kupione przekazywane ą na niewielkich obzarach przez inne części kontrukcji (lub narzędzia), tworzące łącznie z daną kontrukcją zbiory niewypukłe. ndrzej Gawęcki - Mechanika materiałów i kontrukcji prętowych 2003r.