Замена изгиба растяжением-сжатием

Повышенная жесткость деталей, работаю­щих на растяжение-сжатие, в конечном итоге обусловлена лучшим использованием мате­риала при этом виде нагружения. В случае из­гиба и кручения нагружены преимущественно крайние волокна сечения. Предел нагружения наступает, когда напряжения в них достигают опасных значений, тогда как сердцевина остается недогруженной. При растяжении-сжа­тии напряжения одинаковы по всему сечению; материал используется полностью. Предел на­гружения наступает, когда напряжения во всех точках сечения теоретически одновременно до­стигают опасного значения. Кроме того, при растяжении-сжатии деформации детали про­порциональны первой степени ее длины. В случае же изгиба действие нагрузки зависит от расстояния между плоскостью действия изгибающей силы и опасным сечением; дефор­мации здесь пропорциональны третьей сте­пени длины.

В качестве примера конструктивного увеличения жесткости рассмотрим литой кронштейн (рис. 7). Жесткость узлов соедине­ния стержней в раскосном кронштейне видоиз­меняет условия их работы по сравнению с чи­стой фермой, в которой стержни соединены шарнирами; все же в случае раскосного кронштейна (рис. 7, б) стержни работают пре­имущественно на растяжение-сжатие, тогда как балочный кронштейн (рис. 7, а) подвер­гается изгибу. Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой, связывающей их в жесткую систему (рис. 7, в).

Кронштейн ферменного типа с вертикальным стержнем (рис. 7, г) значительно менее жесткий, чем кронштейн на рис. 7, б, так как конец вертикального стержня под нагрузкой перемещается приблизительно по направле­нию действия силы и для ограничения дефор­маций его жесткость не используется.

Рис. 7. Конструкции литых кронштейнов

В тонкостенном цилиндрическом отсеке, не­сущем поперечную нагрузку Р (рис. 8, а), все участки, расположенные по образующим, под­вергаются изгибу. Нагрузку воспринимают преимущественно боковые стенки (рис. 8, б), параллельные плоскости действия изгибаю­щего момента (зачернены на рисунке), так как их жесткость в этом направлении во много раз больше жесткости стенок, расположенных перпендикулярно плоскости действия момента.

При конической форме (рис. 8, в, г), при­ближающей конструкцию к ферменной, стенки конуса, расположенные в пло­скости действия изгибающего момента, рабо­тают: верхние на растяжение, а нижние подоб­но раскосу – на сжатие. Боковые стенки испы­тывают преимущественно изгиб; их жесткость соизмерима с жесткостью верхних и нижних стенок. Следовательно, при конической форме стенки отсека полностью включаются в рабо­ту; прочность и жесткость конструкции увели­чиваются.

Связь между растянутыми и сжатыми стен­ками осуществляют кольца жесткости т, п, ко­торые помимо силового замыкания предот­вращают овализацию конуса под действием нагрузки. Такие кольца являются непре­менным условием правильной работы тонко­стенных отсеков.

Близки к конусам по жесткости тюльпанные (рис. 8, д), сферические (рис. 8, е), тороидные (рис. 8, ж) и аналогичные формы.

Рис. 8. Консольные тонкостенные системы

Пример устранения напряжений изгиба по­казан также на рис. 9. Здесь двухопорная балка, подвергающаяся изгибу (рис. 9, а), за­менена более выгодной стержневой системой (рис. 9, б), наклонные стержни которой работают на сжатие, а горизонтальные – на растя­жение. Близка к этому случаю арочная балка (рис. 9, в), работающая преимущественно на сжатие.

Рис. 9. Схемы свободно опертой балки (а), стержневой системы (б) и арочной балки (в)

На рис. 10, а показан случай нагружения цилиндра осевой силой. Нагрузка вызывает прогиб днища цилиндра, передающийся обе­чайке через пояс сопряжения обечайки с дни­щем (деформации показаны штриховой ли­нией). Система является нежесткой. При за­мене цилиндра конусом (рис. 10,б) система по основной схеме восприятия сил приближает­ся к стержневой ферме. Стенки конуса работают преимущест­венно на сжатие.

Повышенную жесткость имеют сфериче­ская, яйцевидная и тому подобные формы (рис. 10, в и г).

На рис. 10, д-з также приведены примеры жест­ких конструкций. Существенное условие повышения жесткости и прочности здесь состоит в придании деталям кольцевых поясов жесткости, из которых верхний т рабо­тает на сжатие, а нижний п – на растяжение.

В усиленных конструкциях (рис. 10, и - м) введены элементы, непосредственно воспри­нимающие силу сжатия: ребра, цилиндры и конусы.

Рис. 10. Конструкции, работающие на сжатие

Блокирование деформаций

В общей постановке вопроса задача увели­чения жесткости заключается в том, чтобы найти точки наибольших перемещений си­стемы, деформируемой под действием нагруз­ки, и предотвратить эти перемещения введе­нием элементов растяжения-сжатия, располо­женных по направлению перемещений. Классическим примером решения этой задачи является увеличение жесткости рам и фер­менных конструкций раскосами.

Жесткость стержневой рамы, подвергающей­ся действию сдвигающих сил Р (рис. 11, а), крайне незначительна и определяется только сопротивлением вертикальных стержней изги­бу и жесткостью узлов соединения стержней. Введение косынок (рис. 11, б) приближает схе­му нагружения стержней к схеме работы заде­ланных балок и несколько уменьшает дефор­мации.

Наиболее эффективно введение диаго­нальных связей (раскосов), подвергаю­щихся растяжению или сжатию. Раскос растя­жения (рис. 11, в) должен при перекосе рамы удлиниться. Так как жесткость растягиваемого стержня во много раз больше изгибной жесткости вертикальных стержней, то общая жесткость системы резко возра­стает. Аналогично действует раскос сжатия (рис. 11, г). Но в этом случае необходимо счи­таться с возможностью продольного изгиба (потери устойчивости) сжатого стержня, что делает систему менее желательной.

Если нагрузка действует попеременно в обо­их направлениях, то применяют раскосы пере­крестные или чередующегося направления (рис. 11, д и е).

Рис. 11. Схемы действия диагональных связей