Ім'я файлу: осносні види динамічних напружень.docx
Розширення: docx
Розмір: 58кб.
Дата: 21.12.2020
скачати
Розширення: docx
Розмір: 58кб.
Дата: 21.12.2020
скачати
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»
Видавничо-поліграфічний інститут
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
Основні види динамічних навантажень
Виконав: Остапчук Я.
Перевірив: Іванко А. І.
Київ - 2020
У процесі роботи машин і споруд їхні вузли й деталі сприймають сили взаємодії других тіл. Такі сили для певного тіла називаються зовнішніми. Зовнішні сили бувають об’ємні (сили тяжіння, сили інерції), або поверхневі. Останні – це сили, наприклад, контактної взаємодії розглядуваного елемента із сусідніми елементами.
Поверхневі навантаження бувають зосередженими або розподіленими. Навантаження, яке розподілене по невеликій частині поверхні тіла, завжди можна замінити рівнодійною. Цю силу називають зосередженою. Крім того, бувають навантаження, які можна подати у вигляді зосередженого моменту пари сил.
Залежно від властивостей дії навантаження поділяють також на статичні й динамічні.
Статичними називають навантаження, значення, напрям і місце прикладання яких залишаються сталими, або змінюються повільно. Приклад статичного навантаження – сила тяжіння споруд.
Динамічними називають навантаження напрям, величина або місце прикладання, яких швидко змінюється за часом. Дія таких навантажень супроводжується значними прискореннями як деформованого тіла, так і тіл, що взаємодіють із ним. До динамічних належать ударні, раптово прикладені й повторно-змінні навантаження.
Ударні навантаження виникають, наприклад, під час удару колеса вагона на стику рейок, кування металу, або забивання паль за допомогою копра. Ударному навантаженню властиво те, що в мить його прикладення тіло, яке спричинює навантаження, має певну кінетичну енергію.
На рисунках – різні види ударного навантаження з точки зору деформації: 1 – ударне навантаження спричинює деформацію стиску; 2 – деформація розтягу від удару; 3 – згинальний удар; 4 – крутильний удар для ділянки стержня з круговим перерізом і згинальний для стержня з квадратним перерізом.
Теорія удару дуже складна, оскільки швидкість елементів конструкцій на протязі малого проміжку часу змінюється від максимальної до нульової. При цьому виникають значні сили інерції, спричинені великими прискореннями (сповільненнями) Час співударяння невідомий, крім того, виникають пластичні деформації в точці удару, місцеве збільшення температури та інші фактори, врахування яких ускладнює розрахунок.
Таким чином, у зв'язку зі складністю процесів, які відбуваються при ударі, для розрахунку конструкцій користуються так званою технічною або інженерною теорією удару (запропонованою Т. Юнгом). В технічній теорії удару приймаються припущення:
1. Удар вважається непружним, тобто вантаж після удару рухається разом із конструкцією (не відскакує, як м'ячик).
2. Хвильові явища не враховуються, тобто вважається, що швидкість розповсюдження напружень і деформацій є нескінченно великою.
3. Не враховують втрати енергії на пластичне деформування та підвищення температури.
4. Вважається, що вся маса конструкції зосереджена в точці удару, тобто конструкція є системою з одним ступенем вільності.
5. Характеристики матеріалу вважаються такими ж, як і при статиці (залежність між напруженнями і деформаціями в межах закону Гука є лінійною).
Прикладом раптово прикладеного навантаження є тиск колеса на рейку в зоні контакту при коченні колеса. Таке навантаження збільшується від нуля до свого граничного значення за дуже малий проміжок часу.
Повторно-змінних навантажень зазнають, наприклад, деталі кривошипно-повзункового механізму, осі вагонів, коливання елементів конструкцій тощо. Такі навантаження безперервно й періодично змінюються за часом. Опір матеріалів дії навантажень, що змінюються в часі за модулем або за модулем та знаком, суттєво відрізняється від опору дії статичного навантаження. При цьому під дією змінних навантажень елементи конструкції руйнуються при значно менших напруженнях, ніж під дією статичних навантажень. Типовим прикладом деталі, що зазнає змінних навантажень, є шток поршневої машини, знак напружень в якому змінюється відповідно до змін напряму руху поршня.
Практикою встановлено: якщо елемент конструкції багаторазово піддавати змінному навантаженню певного рівня, то після деякої кількості змін напружень у ньому з’явиться тріщина, яка поступово буде розвиватися. Урешті-решт деталь зруйнується, не давши при цьому помітних залишкових деформацій навіть тоді, коли її матеріал високопластичний.
Кількість циклів до появи першої тріщини і до повного руйнування буде тим більша, чим менше напруження. Характерно, що руйнування матеріалу під дією повторно-змінних навантажень може відбутися при напруженнях, нижчих за границю текучості. Руйнування матеріалу під дією повторно-змінних напружень називається руйнуванням від втомленості.
Взагалі ж втомленістю матеріалів (зокрема, металів) називають явище руйнування внаслідок поступового нагромадження в них пошкоджень, що призводять до виникнення тріщин при багаторазовому повторенні навантажень.
Вивчення питань втомленості в опорі матеріалів має дуже велике значення. Такі важливі деталі, як осі залізничних вагонів, колінчасті вали, шатуни моторів, гребні гвинти, пружини клапанів, поршневі пальці й багато інших деталей, виходять з ладу здебільшого внаслідок руйнувань втомленісного характеру. Для руйнування від втомленості недостатньо змінності напружень. Треба також, щоб напруження мали певне значення.
Максимальне напруження, при якому матеріал здатний чинити опір, не руйнуючись, при будь-якій довільно великій кількості повторень змінних напружень, називається границею витривалості (границею втомленості). Механізм утворення тріщин при повторно-змінних навантаженнях дуже складний і не може вважатися повністю вивченим.
До динамічних належать також інерційні навантаження, наприклад, сили інерції в ободі обертового маховика.
Необхідно пам’ятати, що до зовнішніх сил, які беруть до уваги при розрахунках конструкцій, належать не тільки активні сили, а й реакції в’язей і сили інерції (для руху з достатньо великим прискоренням).
Розглянемо далі питання про головні деформації. Із практики відомо, що під час експлуатації елементи конструкцій зазнають таких головних деформацій:
1. Розтяг – цієї деформації зазнають, наприклад, канати, троси, ланцюги, стрижень тоді, коли вздовж його осі прикладені протилежно спрямовані сили. Ці деталі при навантаженні подовжуються.
2. Стиск – на стиск працюють, наприклад, колони, цегляна кладка, пуансони штампів, стержні ферм, які при стисканні вкорочуються.
3. Зсув виникає тоді, коли зовнішні сили зміщують два паралельних плоских перерізи один відносно одного при незмінній відстані між ними. Деформації зсуву зазнають заклепки, болти, шпонки, шви зварних з’єднань. Деформацію зсуву, доведену до руйнування матеріалу, називають зрізом. Зріз виникає, наприклад, під час різання ножицями або при штампуванні деталей із листового матеріалу.
4. Кручення виникає при дії на стрижень зовнішніх сил, які утворюють момент відносно осі стрижня. На кручення працюють вали, які передають потужність під час обертального руху. Зазвичай, деформація кручення супроводжується й іншими деформаціями, наприклад згином.
5. Згин полягає у викривленні осі стрижня. На згин працюють балки, осі вагонів, вали, зубці зубчатих коліс та інші елементи конструкцій.
Дуже часто елементи конструкцій зазнають дії навантажень, які спричинюють одночасно декілька головних деформацій.
Проте багато деталей машин працює в таких умовах, коли напруження, які виникають у них, періодично змінюються за величиною або за величиною та знаком. Опір конструкцій дії таких навантажень істотно відрізняється від опору дії статичного навантаження.
До деталей, які зазнають змінних навантажень, належать, наприклад, осі, вали, рейки потягу, трамвая, штоки поршневих машин тощо. Під час обертання осі вагона ті самі волокна бувають то в зоні розтягу, то в зоні стиску. Шток поршневої машини зазнає змінних навантажень, до того ж знак напружень змінюється залежно від напряму руху поршня (розтяг – стиск).
Досліди й аналіз поломок різних деталей машин доводить, що матеріали (зокрема метали), які тривалий час зазнавали дії змінних навантажень, можуть руйнуватися при нижчих напруженнях, ніж границя міцності й навіть межа текучості. Руйнування при цьому відбувається тому, що після певної кількості змін напряму дії навантаження в деталі виникають мікротріщини, які поступово збільшується, і врешті-решт деталь руйнується, не виявивши при цьому помітних залишкових деформацій навіть тоді, коли матеріалу деталі властива висока пластичність.
Руйнування матеріалу, спричинене багаторазовою дією змінних напружень, називають втомленістю.
Виникнення мікротріщин здебільшого є результатом неоднорідності будови матеріалів, наявності слідів механічної обробки й пошкоджень поверхні деталі (волосовини, раковини, газові та шлакові включення, подряпини, сліди різця або шліфувального каменю тощо), а також результатом концентрації напружень.
Здатність матеріалів протистояти втомленості називають опором втомленості. Вивчення в опорі матеріалів питань втомленості має дуже велике значення, оскільки такі важливі деталі, як осі трамвайних і залізничних вагонів, колінчасті вали, гребні гвинти, поршневі пальці, пружини, шатуни двигунів і багато інших, виходять із ладу переважно внаслідок руйнувань від втомленості.