Основы расчетов деталей механизмов и машин на прочность

2.1 Деформации и напряжения. Метод сечений

Любой механизм или машина помимо других свойств должен обладать прочностью, т.е. способностью его деталей, соединений выдерживать, не разрушаясь, действие внешних сил (нагрузок).

Способность элемента конструкции сопротивляться изменению своих первоначальных размеров и формы называется жесткостью.

Помимо расчетов на прочность и жесткость в ряде задач серьезное внимание уделяется вопросам устойчивости. Под устойчивостью понимают способность звена сохранять определенную начальную форму равновесия. Равновесие устойчиво, если малому изменению нагрузки соответствует малое изменение деформаций. И, естественно, равновесие неустойчиво, если ограниченный рост нагрузки сопровождается неограниченным ростом деформаций.

Деформация — это изменение формы и размеров тел (звеньев механизма) под действием внешних сил. Деформация, исчезающая после снятия вызвавших ее нагрузок, называется упругой, а свойство тела восстанавливать свои первоначальные размеры — упругостью. Если деформация после снятия нагрузки не исчезает, она называется остаточной. Остаточная деформация, не сопровождающаяся разрушением, называется пластической, а остаточная деформация, зависящая от времени деформирования, — вязкой.

Смещение частиц материала детали при деформации сопровождается изменением сил их взаимодействия (притяжения и отталкивания). Возникают внутренние силы — силы противодействия деформации (силы упругости). Интенсивность внутренних сил характеризуется напряжением. Напряжение связывают не только с точкой тела, но и с сечением, проходящим через данную точку. В одной и той же точке напряжение в разных сечениях, проходящих через нее, может быть различным.

Напряжением в точке называют внутреннюю силу, которая приходится на единицу площади, выделенную у точки по проведенному сечению. При определении напряжений нужно прежде всего уметь вычислять внутренние силы в требуемых сечениях, естественно, через известные величины, т.е. через внешние силы, действующие на тело.

Внутренние силы определяют с помощью метода сечений. Согласно этому методу, тело, на которое действует какая-либо внешняя нагрузка, рассекается (мысленно) на две части плоскостью, проходящей через интересующую точку (рис. 2.1, а), в которой хотят определить напряжение. Затем отбрасывается (условно) одна из частей, например правая относительно плоскости. Действие отброшенной части тела на оставшуюся заменяется действием внутренних сил, которые сводятся к внешним силам.

Рис. 2.1

Так как рассматриваемая часть тела свободна, не ограничена в движении связями и находится в состоянии покоя, к системе действующих на нее сил применимы условия равновесия. Для равновесия системы сил необходимо и достаточно, чтобы суммы проекций всех сил на координатные оси и суммы моментов всех сил относительно осей координат были равны нулю.

Со стороны отброшенной части тела на оставшуюся действуют распределенные по сечению внутренние силы. В общем случае систему внутренних сил можно привести в точку к одной силе (главному вектору) и к одной паре сил (главному моменту). Выберем систему координат осей OX, OY, OZ c началом в центре масс сечения (рис. 2.1, 6). Ось ОХ направим по нормали к сечению, а оси OY и OZ расположим в его плоскости.

Составляющая внутренних сил, действующая вдоль нормали к сечению, называется нормальной силой в сечении. Она вызывает деформацию растяжения или сжатия. Составляющие, действующие в плоскости сечения и стремящиеся сдвинуть одну часть тела относительно другой, называются поперечными силами. Момент внутренних сил , действующий в плоскости сечения, скручивает тело и называется крутящим моментом (T). Моменты и изгибают тело соответственно в плоскостях XOZ и XOY и называются изгибающими моментами. Определяют эти составляющие (рис. 2.1, б) через внешние силы.

Закон распределения внутренних сил по сечению можно охарактеризовать с помощью напряжений, которые рассматривают как количественную меру внутренних сил.

Рассмотрим сечение некоторого тела (рис. 2.2, а). В окрестности точки К выделим элементарную площадку , в пределах которой определена внутренняя сила . Отношение называют средним напряжением на площадке . Уменьшая площадку, в пределе получаем полное напряжение в точке К по рассматриваемому сечению:

которое по наравлению совпадает с внутренними силами, имеет размерность силы, распределенной по площади, и измеряется в паскалях, мегопаскалях.

Рис. 2.2

Разложим вектор полного напряжения (рис. 2.2, б) на две составляющие: по нормали к плоскости сечения и в плоскости сечения. Составляющая полного напряжения, направленная по нормали к плоскости сечения, называется нормальным напряжением и обозначается σ. Составляющую полного напряжения, лежащую в плоскости сечения, называют касательным напряжением и обозначают τ.

Различать нормальные и касательные напряжения необходимо, так как конструкционные материалы по-разному сопротивляются их действию (разные значения допускаемых напряжений, модуля упругости и т.д.).

Совокупность напряжений, возникающих в множестве сечений (площадок), проходящих через рассматриваемую точку, называется напряженным состоянием в точке. Напряженное состояние можно охарактеризовать, зная напряжения на любых трех взаимно перпендикулярных площадках, проходящих через эту точку.

2.2 Простейшие типы деформации стержней

В зависимости от геометрических признаков конструкции, особенностей формы детали механизмов и машин можно разбить на элементы типа стержней, пластин и оболочек. К стержням относят тела, длина которых значительно больше линейных размеров поперечного сечения, а к пластинам — тела (например, мембраны), линейные размеры которых вдоль одной координатной оси намного меньше размеров вдоль остальных осей. Тела с размерами, соизмеримыми вдоль всех координатных осей (корпуса), относят к оболочкам. Большинство деталей механизмов можно отнести к телам типа стержней. Это валы, оси, пружины, болты, штифты, шпонки, заклепки и другие элементы конструкций. В дальнейшем будем изучать поведение нагруженных внешними силами стержней, закономерности распределений напряжений и деформаций в сечениях с наибольшей интенсивностью внутренних сил, т.е. в их поперечных сечениях.

В зависимости от схемы приложения внешних нагрузок или от вида составляющих внутренних сил, действующих в поперечных сечениях стержней, различают следующие простейшие типы их деформаций: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

При растяжении или сжатии к концам стержня приложены силы, направленные вдоль его оси. Они пытаются соответственно увеличить или уменьшить длину стержня. Иногда растяжение (сжатие) называют осевым или центральным.

При сдвиге силы направлены по нормали к продольной оси на очень близком друг от друга расстоянии и пытаются сдвинуть в плоскости поперечного сечения одну часть стержня относительно другой.

При кручении в торцовых сечениях стержня действуют противоположно направленные моменты внешних сил, а при изгибе нагрузки должны действовать в плоскости, проходящей через продольную ось стержня.

Часто детали могут испытывать одновременно несколько деформаций, например валы одновременно подвергаются изгибу и кручению. Такое нагружение называется сложным сопротивлением.

2.3 Допущения, принимаемые при расчетах на прочность

Из-за сложности расчетов звеньев на прочность принимаются некоторые упрощающие расчет допущения относительно свойств материалов и характера взаимодействия звеньев и нагрузок. Экспериментальная проверка расчетных зависимостей, полученных с учетом принимаемых допущений, показала возможность их использования для практических расчетов.

Детали механизмов перестают выполнять свои функции не только при разрушении, но и при изменении размеров, формы, т.е. приобретая заметные остаточные деформации. Поэтому определение напряжений и деформаций проводят в области упругих деформаций, считая, что материал деталей обладает способностью полностью восстанавливать первоначальные форму и размеры тела после устранения причин, вызвавших его деформацию, т.е. обладает свойством идеальной упругости.

Материал деталей является однородным и сплошным, т.е. свойства материала не зависят от размера и формы детали и одинаковы во всех ее точках, будь это композиционный материал, пластмасса или сплав.

Материал детали изотропен, т.е. обладает во всех направлениях одинаковыми свойствами. Различие свойств в разных направлениях (анизотропия) учитывают при расчете деревянных деталей.

В теле до приложения нагрузки нет начальных внутренних сил, т.е. отсутствуют напряжения.

Деформации тела очень малы по сравнению с его размерами и не влияют на взаимное расположение нагрузок.

Деформации материала в каждой его точке прямо пропорциональны напряжениям в этой точке (закон Гука).

Принцип независимости действия сил (принцип наложения): результат воздействия на тело системы сил равен сумме результатов воздействия этих же сил, прилагаемых к телу отдельно в любом порядке.

Гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли): поперечные сечения стержней, плоские до приложения нагрузки, остаются плоскими и нормальными к продольной оси стержня при действии нагрузки.

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒