Badanie zjawiska kontaktu LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Podobne dokumenty
Doświadczalne sprawdzenie twierdzeń Bettiego i Maxwella LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Wyznaczenie współczynnika restytucji

Badania doświadczalne drgań własnych nietłumionych i tłumionych

Wyboczenie ściskanego pręta

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

Politechnika Białostocka

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

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Laboratorium Wytrzymałości Materiałów

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Materiały dydaktyczne. Semestr IV. Laboratorium

LABORATORIUM Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Wytrzymałość materiałów Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

Badania doświadczalne płyty kołowej osiowosymetrycznej

Temat 3 (2 godziny) : Wyznaczanie umownej granicy sprężystości R 0,05, umownej granicy plastyczności R 0,2 oraz modułu sprężystości podłużnej E

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

2.2 Wyznaczanie modułu Younga na podstawie ścisłej próby rozciągania

α k = σ max /σ nom (1)

Badanie ugięcia belki

Mechanika i wytrzymałość materiałów Kod przedmiotu

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Wytrzymałość materiałów Rodzaj przedmiotu: obowiązkowy Kod przedmiotu:

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

ĆWICZENIE 1 STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI - UPROSZCZONA. 1. Protokół próby rozciągania Rodzaj badanego materiału. 1.2.

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

Laboratorium metrologii

REGULAMIN ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

Wprowadzenie do WK1 Stan naprężenia

REGULAMIN ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Laboratorium wytrzymałości materiałów

Politechnika Białostocka

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

KARTA MODUŁU KSZTAŁCENIA

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Laboratorium MASZYN I URZĄDZEŃ TECHNOLOGICZNYCH. Nr 2

Ć w i c z e n i e K 4

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Modele materiałów

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

SPRAWOZDANIE LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW B Badanie własności mechanicznych materiałów konstrukcyjnych

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Defi f nicja n aprę r żeń

MATERIAŁOZNAWSTWO vs WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wytrzymałość Materiałów

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu MECHANIKA I BUDOWA MASZYN Studia pierwszego stopnia

AiR_WM_3/11 Wytrzymałość Materiałów Strength of Materials

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

I. Temat ćwiczenia: Definiowanie zagadnienia fizycznie nieliniowego omówienie modułu Property

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 5

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu MECHANIKA I BUDOWA MASZYN Studia pierwszego stopnia

Wytrzymałość Materiałów II studia zaoczne inżynierskie I stopnia kierunek studiów Budownictwo, sem. IV materiały pomocnicze do ćwiczeń

Wytrzymałość materiałów Strength of materials

Z-LOGN Wytrzymałość materiałów Strength of materials

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

15. Przedmiot: WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW Kierunek: Mechatronika Specjalność: Elektroautomatyka okrętowa Rozkład zajęć w czasie studiów Liczba godzin

Inżynieria bezpieczeństwa I stopień (I stopień / II stopień) ogólno akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

BADANIE STANÓW RÓWNOWAGI UKŁADU MECHANICZNEGO

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 11: Moduł Younga

Zadanie 1 Zadanie 2 tylko Zadanie 3

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

SPRAWOZDANIE: LABORATORIUM Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW B Badanie własności mechanicznych materiałów konstrukcyjnych

Przekładnie ślimakowe / Henryk Grzegorz Sabiniak. Warszawa, cop Spis treści

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

Informacje ogólne. Rys. 1. Rozkłady odkształceń, które mogą powstać w stanie granicznym nośności

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

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Z-LOG-0133 Wytrzymałość materiałów Strength of materials

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

ĆWICZENIE 41 POMIARY PRZY UŻYCIU GONIOMETRU KOŁOWEGO. Wprowadzenie teoretyczne

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

gruntów Ściśliwość Wytrzymałość na ścinanie

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

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

SPRAWDZENIE PRAWA HOOKE'A, WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA, WSPÓŁCZYNNIKA POISSONA, MODUŁU SZTYWNOŚCI I ŚCIŚLIWOŚCI DLA MIKROGUMY.

Politechnika Białostocka

Wyznaczenie reakcji belki statycznie niewyznaczalnej

(54) Sposób pomiaru cech geometrycznych obrzeża koła pojazdu szynowego i urządzenie do

Badanie wytrzymałości elementu betonowego metodą sklerometryczną

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

BADANIA WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH 1. Próba rozciągania metali w temperaturze otoczenia (zg. z PN-EN :2002)

Politechnika Białostocka

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

Integralność konstrukcji w eksploatacji

Wprowadzenie do Techniki. Materiały pomocnicze do projektowania z przedmiotu: Ćwiczenie nr 2 Przykład obliczenia

Naprężenia, przemieszczenia, odkształcenia Właściwości materiałów. dr hab. inż. Tadeusz Chyży Katedra Mechaniki Konstrukcji

Elementy i obwody nieliniowe

Pomiar twardości ciał stałych

Badania pasowego układu cięgnowego dźwigu

Wewnętrzny stan bryły

Transkrypt:

Instytut Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej Wydział Mechaniczny Technologiczny Politechnika Śląska www.imio.polsl.pl fb.com/imiopolsl twitter.com/imiopolsl LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW Badanie zjawiska kontaktu

BADANIE ZJAWISKA KONTAKTU 2 1. CEL ĆWICZENIA Zaznajomienie się z problematyką zjawiska kontaktu. Zaznajomienie się z wzorami analitycznymi pozwalającymi na wyznaczenie obszaru kontaktu i wartości naprężeń kontaktowych. Doświadczalne badanie obszaru styku dwóch ciał. 2. WPROWADZENIE Zagadnieniami kontaktowymi nazywa się zagadnienia związane z wyznaczaniem stanu odkształcenia i stanu naprężenia w obszarach zetknięcia się dwóch ciał. Naprężenia kontaktowe nazywane również stykowymi pojawiają się w miejscu styku dwóch ciał dociśniętych do siebie pewną siłą. Naprężenia te mogą osiągać niekiedy znaczne wartości, nawet przy stosunkowo małych siłach docisku, co może prowadzić do przekroczenia dopuszczalnego wytężenia materiału w bezpośrednim otoczeniu obszaru styku. Pole powierzchni styku ulega zmianie w zależności od wartości sił dociskających, co powoduje zmianę wartości i rozkładów naprężeń, odkształceń i przemieszczeń w obszarze kontaktu. Z występowaniem tego typu zjawiska często można spotkać się w częściach maszyn np.: w łożyskach, w przekładniach zębatych, ślimakowych itp., w pojazdach kołowych, w połączeniach gwintowych. 3. PODSTAWY TEORETYCZNE 3.1 Obszar kontaktu (styku) Ogólne rozwiązanie zagadnienia kontaktowego zostało przedstawione przez Heinricha Hertza. Przeprowadzone przez Hertza badania nad zjawiskiem kontaktu dostarczyły ścisłych, wynikających z teorii sprężystości rozwiązań. W teorii Hertza przyjęto następujące założenia: 1. Stykające się ciała są jednorodne, izotropowe i liniowo-sprężyste. 2. Powierzchnie zewnętrzne ciał w otoczeniu punktu styku są gładkie o regularnej krzywiźnie. 3. Odkształcenia ciał są niewielkie. 4. Powierzchnia styku w stosunku do powierzchni ciał jest mała. 5. Na powierzchni styku nie ma naprężeń stycznych, a jedynie normalne. Na rys. 1a przedstawiono dwa stykające się ciała, które mają wspólną normalną, wspólną płaszczyznę styczną w punkcie styku O i są wzajemnie dociskane siłami P. Dla ciała 1 minimalny i maksymalny promień krzywizny jest równy kolejno r 1 i r 1, a moduł Younga i liczba Poissona E 1 i v 1. Dla ciała drugiego odpowiednie wielkości wynoszą analogicznie r 2, r 2, E 2 i v 2. Symbol φ oznacza kąt między odpowiadającymi sobie płaszczyznami największych krzywizn, czyli minimalnych promieni krzywizn r 1 i r 2.

BADANIE ZJAWISKA KONTAKTU 3 a) b) Rys. 1. Kontakt dwóch ciał: a) stykające się ciała; b) obszar styku Po odkształceniu ciał spowodowanym ich wzajemnym dociśnięciem w ogólnym przypadku powstaje obszar styku w postaci elipsy o półosiach a i b (a>b) (rys. 1b), które można wyznaczyć ze wzorów: a m P n 3, (1) b m P n 3, (2) gdzie: m 4 1 1 1 1 r r ' r r ' 1 1 2 2 8 EE n, 3 (1 ) (1 ) 1 2, 2 2 E2 v1 E1 v2 przy czym: α i β - współczynniki zależne od wartości stosunku B A gdzie: 2 A i m 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 B 2 cos 2 ' ' ' '. 2 r1 r1 r2 r2 r1 r1 r2 r2 Wybrane współczynniki α i β dla określonego stosunku B A zestawiono tabeli 1.

BADANIE ZJAWISKA KONTAKTU 4 B A Tabela 1. Wartości α i β określone dla stosunku B A α β 0,000 1,000 1,000 0,4795 1,456 0,7218 0,0466 1,032 0,9696 0,5342 1,540 0,6992 0,1075 1,076 0,9318 0,5819 1,607 0,6791 0,1974 1,148 0,8791 0,6113 1,684 0,6580 0,2545 1,198 0,8472 0,6521 1,775 0,6359 0,3204 1,262 0,8114 0,6716 1,826 0,6245 0,3954 1,345 0,7717 0,6920 1,882 0,6127 B A α β 3.2 Naprężenia kontaktowe (stykowe) Wykres nacisków powierzchniowych na obszarze styku jest elipsoidą o następującym równaniu (rys. 2): 2 2 3P x y p( x, y) 1 2 ab a b. (3) Wartość największego ciśnienia na powierzchni styku oblicza się z wzoru: p max 1,5P. (4) ab Rys. 2. Rozkład naprężeń kontaktowych Naprężenia na powierzchni styku osiągają często znaczne wartości przekraczające liczbowo granicę plastyczności, a nawet wytrzymałości materiału. Możliwość zniesienia przez materiał takich naprężeń można wytłumaczyć tym, że w punktach, w których one występują stan naprężenia jest zbliżony do trójosiowego ściskania. Obliczenia przeprowadzone przez Bielajewa

BADANIE ZJAWISKA KONTAKTU 5 wskazują na to, że miejsce największego wytężenia materiału nie znajduje się na powierzchni styku ciał, lecz na pewnej niewielkiej głębokości pod tą powierzchnią w punktach, które nazywa się punktami Bielajewa. Położenie punktu Bielajewa na rys. 2 określa współrzędna z b. Przykładowo, zgodnie z obliczeniami, które zostały przeprowadzone z uwzględnieniem hipotezy maksymalnych naprężeń stycznych stosunek z b /b zmienia się w granicach od 0,481 dla kołowego obszaru styku do 0,78 dla prostokątnego obszaru styku. W kontekście praktycznych obliczeń wytrzymałościowych sformułowane zostało kryterium nacisku powierzchniowego. Kryterium to opiera się na założeniu, że maksymalne naprężenie w obszarze styku p max nie może przekroczyć odpowiedniego naprężenia dopuszczalnego f dh : p max f. (5) Wartości naprężenia dopuszczalnego f dh są znaczne, np. dla stali konstrukcyjnej S355 wynoszą 880 MPa. 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA 4.1 Budowa stanowiska pomiarowego Ćwiczenie przeprowadzane jest przy pomocy stanowiska, którego schemat przedstawiono na rys. 3. dh Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego

BADANIE ZJAWISKA KONTAKTU 6 W skład stanowiska wchodzą: 1. Gumowe nóżki stabilizujące. 2. Śruba pozwalająca na płynne zadawanie obciążenia. 3. Dynamometr (siłomierz) sprężynowy. 4. Element dociskowy o promieniach krzywizny r 1 =200 mm oraz r 1 = wykonany z elastomeru o module Younga E=5 MPa i liczbie Poissona v=0.48. 5. Element dociskowy o promieniach krzywizn r 2 =133,33 mm oraz r 2 =400 mm wykonany z szkła akrylowego o module Younga E=3330 MPa i liczbie Poissona v=0.37. 6. Mechanizm dźwigniowy służący do zadawania obciążenia. 7. Przesuwna przeciwwaga służąca do kompensacji masy zespołu zadającego obciążenie. 8. Lampa. 4.2 Konfiguracja stanowiska Przed przeprowadzeniem pomiarów należy w pierwszej kolejności odpowiednio dostosować położenie przeciwwagi (rys. 4) tak aby skompensować masę mechanizmu zadającego obciążenie. W trakcie ustawiania przeciwwagi dynamometr sprężynowy powinien być odczepiony. Położenie przeciwwagi jest ustalane wkrętem. Odpowiednią wartość siły dociskającej kontaktujące się ciała zadaję się regulując położenie śruby, a jej wartość odczytuję się z skali na dynamometrze zgodnie z rys. 5a. Dodatkowo trzeba pamiętać, że siła jest przekazywana na element dociskowy poprzez dźwignię o przełożeniu 1:6. W związku z tym jeżeli przykładowo na dynamometrze dokonuje się odczytu siły o wartości 10 N, wartość siły działającej na element dociskowy to 60 N. Kąt między promieniami krzywizn ciał φ wchodzących w kontakt można regulować odbezpieczając śrubę pokazaną na rys. 5b i obracając elastomerowy element dociskowy. Rys. 4. Ustawienie przeciwwagi

BADANIE ZJAWISKA KONTAKTU 7 4.3 Wykonanie pomiarów a) b) Rys. 5. Konfiguracja stanowiska: a) regulacja siły b) regulacja kąta φ W ramach ćwiczenia należy doświadczalne zbadać kształt i wymiary obszaru styku w zależności od zadanej siły oraz kąta pomiędzy promieniami krzywizn ciał wchodzących w kontakt. Pomiary należy wykonać dla zakresu sił i kątów podanego przez prowadzącego, a wyniki pomiarów wprowadzić do protokołu pomiarowego, przykładowy zakres pomiarów przedstawia tabela 2. Pomiaru geometrii obszaru styku (wymiarów półosi elips) dokonuje się przy użyciu przeznaczonej do tego celu linijki. Aby ułatwić wizualizację obszaru styku powinno się skorzystać z lampy kierując światło pod odpowiednim kątem. Tabela 2. Pomiary parametrów obszaru styku Kąt φ= 0⁰ Kąt φ= 45⁰ Kąt φ= 90⁰ Siła, N a, mm b, mm Siła, N a, mm b, mm Siła, N a, mm b, mm 30 30 30 60 60 60 90 90 90 120 120 120 150 150 150

BADANIE ZJAWISKA KONTAKTU 8 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW I WYTYCZNE DO SPRAWOZDANIA Sprawozdanie powinno zawierać: I. Cel ćwiczenia. II. Krótki wstęp teoretyczny. III. Przedstawienie wyników badań doświadczalnych. IV. Część obliczeniową, w której należy: 1. Wyznaczyć korzystając z wzorów analitycznych (1),(2) parametry obszaru styku (wymiary półosi elips) dla takich samych wartości sił i kątów jak w badaniu doświadczalnym. 2. Dokonać porównania wyników doświadczalnych z analitycznymi w formie wykresów przedstawiających parametry obszaru styku w funkcji działającej siły osobno dla każdego rozważanego przypadku kąta φ. 3. Określić maksymalne naprężenia na powierzchni styku korzystając z wzoru (4). V. Wnioski z ćwiczenia. 6. PRZYKŁADOWE PYTANIA KONTROLNE 1. Wymień założenia teorii Hertza. 2. Jaki kształt ma obszar styku? 3. W jakich częściach maszyn można spotkać się z zagadnieniem kontaktowym? 4. W jaki sposób wyznaczyć maksymalne naprężenia na powierzchni styku? 5. Gdzie występują maksymalne naprężenia redukowane? 6. Czym charakteryzuje się kryterium nacisku powierzchniowego? 7. LITERATURA 1. Bąk R., Burczyński T.: Wytrzymałość materiałów z elementami ujęcia komputerowego, WNT, Warszawa 2001. 2. Dyląg Z., Jakubowicz A., Orłoś Z.: Wytrzymałość materiałów, t. II, WNT, Warszawa 1996-97. 3. Bijak-Żochowski M., Jaworski A., Krzesiński G., Zagrajek T.: Mechanika materiałów i konstrukcji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006. 4. G.U.N.T. Gerätebau, Experiment instructions TM 262, Hertzian Contact Apparatus, Barsbüttel, Germany, 2011. Czy wiesz, że Wybierając specjalność ME8 możesz w ramach zajęć zajmować się budową i programowaniem urządzenia z wykorzystaniem zestawów LEGO Mindstorms. http://www.icme.polsl.pl/me8_msi.html

Instytut Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska www.imio.polsl.pl PROTOKÓŁ Z ĆWICZENIA BADANIE ZJAWISKA KONTAKTU Kierunek: Grupa: Sekcja: Data wykonania ćwiczenia: Prowadzący: Podpis Kąt φ= 0⁰ Kąt φ= 45⁰ Kąt φ= 90⁰ Siła, N a, mm b, mm Siła, N a, mm b, mm Siła, N a, mm b, mm 30 30 30 60 60 60 90 90 90 120 120 120 150 150 150