А.Р.Пирумов, Г.Н.Трофимов, Н.Н.Холин - Сопротивление материалов, страница 10

   Если мощность подается на вал через ведущий шкив, а раздается потребителям через несколько ведомых шкивов, то соответственно определяются моменты на шкивах, а затем строится эпюра крутящих моментов. Расчет вала на прочность и жесткость ведется, очевидно, по max M_z.

   Определение диаметра вала из условия прочности. Условие прочности при кручении вала имеет вид (10.7), где допускаемые напряжения принимаются пониженными по сравнению с допускаемыми напряжениями обычного статического расчета в связи с необходимостью учета наличия концентраторов напряжений (например, шпоночных канавок), переменного характера нагрузки и наличия наряду с кручением и изгиба вала.

Требуемое значение W_p=d^з/16 получаем из условия (10.7), принимая в нем знак равенства

,

откуда получаем формулу для диаметра вала кругового сечения

   Определение диаметра вала из условия жесткости. Условие жесткости состоит в наложении ограничения на погонный угол закручивания вала , так как недостаточно жесткие валы не обеспечивают устойчивой передачи мощности и подвержены сильным колебаниям:

Тогда, учитывая, что , для диаметра вала из условия жесткости имеем

Аналогично проводятся расчеты и для вала кольцевого поперечного сечения.

Глава 11. Расчет на сдвиг заклепочных соединений.

Расчет заклепок на перерезывание.

   Мы изучали, что при простом растяжении или простом сжатии две части стержня, разделенные наклонным сечением, стремятся не только оторваться друг от друга, но и сдвинуться одна относительно другой. Растяжению сопротивляются нормальные, а сдвигу — касательные напряжения.

   На практике целый ряд деталей и элементов конструкций работает в таких условиях, что внешние силы стремятся их разрушить именно путем сдвига.

   В соответствии с этим при проверке прочности таких элементов на первый план выступают касательные напряжения. Простейшими примерами подобных деталей являются болтовые и заклепочные соединения. Заклепки во многих случаях уже вытеснены сваркой; однако они имеют еще очень большое применение для соединения частей всякого рода металлических конструкций: стропил, ферм мостов, кранов, для соединения листов в котлах, судах, резервуарах и т. п. Для образования заклепочного соединения в обоих листах просверливают или продавливают отверстия. В них закладывается нагретый до красного каления стержень' заклепки с одной головкой; другой конец заклепки расклепывается ударами специального молотка или давлением гидравлического пресса (клепальной машины) для образования второй головки. Мелкие заклепки (малого диаметра — меньше 8 мм) ставятся в холодном состоянии (авиационные конструкции).

   Для изучения работы заклепок рассмотрим простейший пример заклепочного соединения (Рис. 11.1). Шесть заклепок, расположенных в два ряда, соединяют два листа внахлестку. Под действием сил Р эти листы стремятся сдвинуться один по другому, чему препятствуют заклепки, на которые и будет передаваться действие сил .

Рис. 11.1. Расчетная схема заклепочного соединения

   Для проверки прочности заклепок применим общий порядок решения задач сопротивления материалов.

   На каждую заклепку передаются по две равные и прямо противоположные силы: одна—от первого листа, другая — от второго. Опытные исследования показывают, что одни из заклепок ряда нагружаются больше, другие — меньше. Однако к моменту разрушения усилия, передающиеся на различные заклепки, более или менее выравниваются за счет пластических деформаций. Поэтому принято считать, что все заклепки работают одинаково. Таким образом, при заклепках в соединении, изображенном на рис. 11.1, на каждую из них действуют по две равные и противоположные силы (Рис. 11.2); эти силы передаются на заклепку путем нажима соответствующего листа на боковую полуцилиндрическую поверхность стержня. Силы стремятся перерезать заклепку по плоскости mk раздела обоих листов.

Рис. 11.2. Силы, действующие на заклепочное соединение.

   Для вычисления напряжений, действующих по этой плоскости, разделим мысленно заклепочный стержень сечением mk и отбросим нижнюю часть (Рис. 11.2). Внутренние усилия, передающиеся по этому сечению от нижней части на верхнюю, будут уравновешивать силу т. е. будут действовать параллельно ей в плоскости сечения, и в сумме дадут равнодействующую, равную . Следовательно, напряжения, возникающие в этом сечении и действующие касательно к плоскости сечения, это — касательные напряжения . Обычно принимают равномерное распределение этих напряжений по сечению. Тогда при диаметре заклепки d на единицу площади сечения будет приходиться напряжение:

   Величина допускаемого касательного напряжения , или, как говорят, допускаемого напряжения на срез, принято определять в виде: Зная , мы напишем условие прочности заклепки на перерезывание в таком виде:

т. е. действительное касательное напряжение в материале заклепки должно быть равно допускаемому или меньше его.

   Из этого условия можно определить необходимый диаметр заклепок, если задаться их числом, и наоборот. Обычно задаются диаметром заклепочных стержней d в соответствии с толщиной t склепываемых частей (обычно ) и определяют необходимое число заклепок :

Знаменатель этой формулы представляет собой ту силу, которую безопасно может взять на себя каждая заклепка.

Пусть ; тогда

Рис. 11.3. Расчетная модель действия нормальных напряжений

   При выводе формулы расчета заклепки на перерезывание, помимо оговоренных, допущена еще одна неточность. Дело в том, что силы действующие на заклепку, не направлены по одной прямой, а образуют пару. Эта пара уравновешивается другой парой, образующейся из реакций соединенных листов на головку заклепки (Рис. 11.3) и ведет к появлению нормальных напряжений, действующих по сечению mk.

Глава 12. Устойчивость стержней.

Расчёты на устойчивость

Общие положения

Выше отмечалось, что в сопротивлении материалов рассматривается три вида расчётов: 1) на прочность , 2) на жесткость и 3) на устойчивость.

При рассмотрении напряженно-деформированных состояний растяжения-сжатия, кручения и изгиба решались задачи только по расчётам на прочность и жесткость.

Расчеты на устойчивость в силу их специфики приходятся выделять отдельной темой. Например , что будет показано ниже , при расчётах на устойчивость сжатого стержня необходимо рассматривать одновременно вопросы как сжатия , так и изгиба.

В предыдущих разделах, используя метод сечений для определения внутренних силовых факторов , мы рассматриваем условия статического равновесия отсеченной части стержня. При этом предполагалось , что эта отсеченная часть находится в состоянии устойчивого равновесия. Между тем, в аналитической механике рассматривается три вида равновесия : устойчивое , безразличное и неустойчивое.

Некоторые конструкции , как , например , длинные тонкие стержни , испытывающие сжатие вдоль оси; труба под действием наружной распределенной нагрузки; оболочки под действием сосредоточенной нагрузки при некоторых значениях нагрузки могут перейти из заданного положения равновесия в состояние неустойчивого равновесия. Соответствующие нагрузки получили название критических.

В сопротивлении материалов в качестве примера перехода из состояния устойчивого равновесия в неустойчивое рассматривается сжатие гибкого стержня.

При продольном сжатии стержня может наступить такой момент , когда прямоугольный стержень при разовом воздействии поперечного толчка изогнётся. Такое состояние, когда стержень может иметь как прямолинейную ось, так и изогнутую , получило название «бифуркация». Сжимающая сила, соответствующая такому состоянию , получила название критической силы «Р кр». Задачу по определению критической силы сжатого стержня впервые решил Леонард Эйлер , решая задачу продольного изгиба.

Продольный изгиб

При решении задачи по расчёту длинного тонкого стержня на продольный изгиб Эйлер предполагал , что стержень выполнен из линейно-упругого материала.

Расположим шарнирно опертый стержень в горизонтальном положении , см. рис 12.1. Правый торец стержня опирается на «каток», левый – на неподвижную шарнирную опору.

При действии в сечении «В» критической силы «Р кр» стержень получит боковое выпучивание. Перемещением подвижного шарнира «В» пренебрегаем , считая , что длина стержня 2l остается неизменной. Стержень работает на изгиб. Сечению «Z» соответствует прогиб «V» и кривизна «ρ». Выше было получено выражение для кривизны балки:

В случае потери устойчивости стержень всегда прогибается в плоскости наименьшей жесткости. Поэтому момент инерции не зависимо от обозначения осей при расчете стержней на устойчивость принято обозначать «J min». Дифференциальное уравнение упругой линии балки при продольном изгибе записывается следующим образом :

(12.1)

Или:

Дифференциальное уравнение упругой линии балки при продольном изгибе записывается следующим образом :

(12.2)

Прогиб «V» мал , то есть:

И знаменатель левой части уравнения (12.1) можем считать равным единице.

Изгибающий момент может быть определен :