Касательные напряжения при изгибе

Очевидно, что при поперечном изгибе, вызванном приложением к балке поперечной силы, в сечениях балки должны возникнуть касательные напряжения.
Определением зависимости между внешними нагрузками, геометрическими и физическими параметрами балок и касательными напряжениями, возникающими в них, занимался русский мостостроитель Д. И. Журавский, который в 1855 году предложил следующую формулу:

τ = QS / (I d).

Эта формула называется формулой Журавского и читается так:
касательные напряжения в поперечном сечении балки равны произведению поперечной силы Q на статический момент S относительно центральной оси части сечения, лежащей выше рассматриваемого слоя волокон, деленному на момент инерции I всего сечения относительно нейтральной оси и на ширину b рассматриваемого слоя волокон.

По формуле Журавского можно вывести зависимости для определения касательных напряжений в балках, имеющих разную форму поперечного сечения (прямоугольную, круглую и т. п.).
Например, для балки круглого сечения формула Журавского в результате преобразований выглядит так:

τ_max= 4Q / (3A) = 4τ_сред/ 3,

где Q – поперечная сила, вызывающая изгиб, А – площадь сечения балки.

Большинство балок в конструкциях рассчитывается только по нормальным напряжениям, и только три вида балок проверяют по касательным напряжениям:

- деревянные балки, т. к. древесина плохо работает на скалывание;
- узкие балки (например, двутавровые), поскольку максимальные касательные напряжения обратно пропорциональны ширине нейтрального слоя;
- короткие балки, так как при относительно небольшом изгибающем моменте и нормальных напряжениях у таких балок могут возникать значительные поперечные силы и касательные напряжения.
Максимальное касательное напряжение в двутавровой балке определяется по формуле Журавского, при этом геометрические характеристики таких балок берутся из справочных таблиц.

***

Расчеты на прочность при изгибе

Условие на прочность при изгибе заключается в том, что максимальное нормальное напряжение в опасном сечении не должно превышать допускаемое.
Полагая, что гипотеза о не надавливании волокон справедлива не только при чистом, но и при поперечном изгибе, мы можем нормальные напряжения при поперечном изгибе определять по такой же формуле, что и при чистом изгибе, при этом расчетная формула выглядит так:

σ_max= Ми_max/ W ≤ [σ]

и читается так: нормальное напряжение в опасном сечении, определенное по формуле σ_max= Ми_max/ W ≤ [σ] не должно превышать допускаемое.
Допускаемое нормальное напряжение при изгибе выбирают таким же, как при растяжении и сжатии.
Максимальный изгибающий момент определяют по эпюре изгибающих моментов или расчетом.
Так как момент сопротивления изгибу W в расчетной формуле стоит в знаменателе, то чем больше W, тем меньшие напряжения возникают в сечении бруса.

Ниже приведены моменты сопротивления изгибу для наиболее часто встречающихся сечений:

1. Прямоугольное сечение размером b x h: W_пр= bh²/ 6.

2. Круглое сечение диаметром d: W_круг= π d³/ 32 ≈ 0,1d³

3. Кольцо размером D x d: W_кольца= ≈ 0,1 (D⁴– d⁴) / D; (момент сопротивления кольцевого сечения нельзя определять, как разность моментов сопротивления большого и малого кругов).

Расчет балки на прочность из хрупкого и пластичного материалов.

Основные теории прочности

Перечислим наиболее известные в сопротивлении материалов теории прочности.

· Первая теория прочности — Теория наибольших нормальных напряжений.

· Вторая теория прочности — Теория наибольших деформаций.

· Третья теория прочности — Теория наибольших касательных напряжений.

· Четвертая теория прочности (энергетическая) — Теория наибольшей удельной потенциальной энергии формоизменения.

· Теория прочностиМора — Теория предельных напряжённых состояний (иногда говорят — V теория прочности).

Из всех вышеперечисленных теорий прочности наиболее полной, точной и всеобъемлющей является теория Мора. Все её положения были проверены экспериментально. Она подходит как для проверки прочности хрупких материалов (чугун, бетон, кирпич), так и для проверки на прочность пластичных материалов (низкоуглеродистая сталь). Теория наибольших нормальных напряжений и теория наибольших деформаций подходит только для прочностного анализа хрупких материалов, причём только для каких-то определённых условий нагружения, если требовать повышенную точность расчёта. Вот поэтому первые две теории прочности сегодня применять не рекомендуется. Результаты теории наибольших касательных напряжений и теории наибольшей удельной потенциальной энергии формоизменения можно получить в некоторых частных случая Теория прочности Мора

2010-08-24

Теория прочности Мора1 в отличие от изложенных не содержит критериальной гипотезы и состоит в установлении определенной зависимости прочностных свойств материала от вида его напряженного состояния. За характеристики напряженного состояния в общем случае принимается наибольшее касательное напряжение и нормальное, действующее на той площадке, на которой действует это касательное. Условие наступления текучести определяется огибающей больших кругов напряжений (кругов Мора) для предельных напряженных состояний. При этом влияние среднего напряжения σ₂ не учитывается. Текучесть наступает тогда, когда большой круг напряжений для рассматриваемого напряженного состояния коснется этой огибающей (см рис.).

Приведенные напряжения для материалов с одинаковым пределом текучести при растяжении и сжатии в случае объемного напряженного состояния записываются так:

пр= 1– a 3

при плоском напряженном состоянии:

пр=21− a ( x + y)+21+ a x – y)2+4 2 xy

где а= т т сж = т т− т при текучести и а= в в сж = в в− в при разрушении.

Для хрупких материалов с различным сопротивлением растяжению и сжатию
условие разрушения определяется по теории Мора огибающей предельных кругов напряжений, соответствующих разрушению (рис. б). В этом случае приведенные напряжения при объемном напряженном состоянии;

пр= b 1– 3

при плоском напряженном состоянии:

пр=2 b −1 ( x + y)+21+ b x – y)2+4 2 xy

где b = т т сж при текучести и b = в в сж при разрушении.
a и b определяются по кругам Мора (см. рис).

Условие прочности по теории Мора имеет следующий вид:

σ_пр ≤ [σ]

Теория прочности Мора является наиболее полной, точной из наиболее известных теорий прочности в сопротивлении материалов. Все её положения были проверены экспериментально. Она подходит как для проверки прочности хрупких материалов (чугун, бетон, кирпич), так и для проверки на прочность пластичных материалов (низкоуглеродистая сталь). Её иногда называют V теорий прочности

х нагружения при применении теории Мора.

 

Три вида расчетов

Виды расчетов

1.Расчет на прочность обеспечивает неразрушение конструкции.

2.Расчет на жесткость обеспечивает деформации конструкции под нагрузкой в пределах допустимых норм.

3.Расчет на выносливость обеспечивает необходимую долговеч­ность элементов конструкции.

Расчет на устойчивость обеспечивает сохранение необходимой формы равновесия и предотвращает внезапное искривление длин­ных стержней.

Для обеспечения прочности конструкций, работающих при удар­ных нагрузках (при ковке, штамповке и подобных случаях), прово­дятся расчеты на удар.