Задачи по сопротивлению материалов Геометрические характеристики плоских сечений Лабораторные работы по сопротивлению материалов Контрольная работа Определение перемещений при косом изгибе Расчет заклепок на срез

Сопромат Задачи и лабораторные работы

Расчет напряжений и деформаций валов

В поперечных сечениях вала при кручении действуют только касательные напряжения, которые вычисляются по формуле:

(3.2.3)

где ρ – текущий радиус точек сечения; Iρ – полярный момент инерции сечения.

 Из формулы (3.2.3) следует, что при ρ = 0 имеем τ = 0, а при ρ = ρmax =R получим

  (3.2.4)

где Wρ = Iρ/ρmax = Iρ/R – полярный момент сопротивления сечения.

Деформация кручения характеризуется углом закручивания φ, который в общем случае определяется по формуле

а в частном случае при GIρ = const , T = const – по формуле

 . (3.2.5)

 В этих формулах l – расстояние между закручиваемыми сечениями вала. В расчетах часто используется так называемый относительный угол закручивания θ = φ/l. Из формулы (3.2.5) следует, что

  (3.2.6)

Поскольку кручение представляет собой по существу неравномерный сдвиг, то закон Гука и выражение для потенциальной энергии имеют вид аналогичных соотношений из п. 3.1.

Закон Гука при кручении имеет вид

  (3.2.7)

Удельная потенциальная энергия рассчитывается по формуле

 

а полная энергия находится из выражения

 В частном случае GIp = const, T = const выражение для потенциальной энергии имеет вид

 (3.2.8)

Задача 3.2.6. Стальной коленчатый вал ОВС (рис. 3.2.6) принимает на плечо ВС усилие F = 100 Н. Найти наибольшее касательное напряжение и угол закручивания плеча ОВ, имеющего диаметр d = 8 мм и длину l = =25мм. Модуль упругости G = 8·104 МПа, плечо а силы F равно 20 мм.

 Решение. Определим величину внешнего момента:

 Поскольку к элементу ОВ больше никаких внешних сил не приложено, то, очевидно, что внутренний крутящий момент равен T = M = 2 Н·м=200 Н·см.

 Для вычисления касательных напряжений и угла закручивания необходимо найти геометрические характеристики поперечного сечения элемента ОВ. Полярный момент сопротивления равен 

 Полярный момент инерции равен

 Наибольшее касательное напряжение определим по формуле (3.2.4)

Найдем угол закручивания сечения 2 – 2 относительно сечения 1 – 1. Как видно из рис. 3.2.6, на этот же угол повернется плечо ВС. Согласно формуле (3.2.5), получим

Задача 3.2.7. Найти, на какой угол повернется торец стального вала, изображенного на рис. 3.2.7, если сила F = 1000 Н, плечо а = 50 см, длина вала l = 80 см, а его диаметр d = 5 см.

Ответ: φ = 0,5 град.

Задача 3.2.8. Найти максимальные касательные напряжения при условиях задачи 3.2.7.

Ответ: τmax = 20 МПа.


Задача 3.2.9. Шестеренка В, насаженная на вал СК и имеющая диаметр D = 40 мм (рис. 3.2.8), принимает окружное усилие F = 200 Н. Найти напряжения в поперечном сечении вала СК, если его диаметр d = 8 мм.

Ответ: τ = 40 МПа.

Задача 3.2.10. Для вала, показанного на рис. 3.2.9, построить эпюру изменения по длине вала величины касательного напряжения в крайней точке поперечного сечения.

Ответ: эпюра τ имеет вид кубической параболы.

Задача 3.2.11. Вал круглого поперечного сечения диаметром 10 см и длиной 3 м закручен на угол 2о. Чему равно наибольшее касательное напряжение τmax, если модуль сдвига материала вала равен G = 8·104 МПа?

Ответ: τmax = 46,5 МПа.

 Задача 3.2.12. Два вала – круглого и кольцевого поперечного сечений, имеющие один и тот же вес, передают одинаковый крутящий момент. В каком из валов наибольшие касательные напряжения будут больше и во сколько раз, если отношение внутреннего и наружного диаметров полого вала равно 0,6?

Ответ:  .

Задача 3.2.13. Тонкостенная труба длиной 5 м со средним диаметром 15 см и толщиной стенки 0,25 см закручивается моментами, приложенными по торцам, до величины касательных напряжений τ = 56 МПа. Найти полный угол закручивания трубы, если G = 8·104 МПа.

Ответ: φ = 2,67о.

Задача 3.2.14. Для условий задачи 3.2.3 в предположении, что вал ступенчатый dI = 5,2 см; dII = 6,9 см; dIII = 7,8 см, модуль сдвига материала вала G = 8·104 МПа, построить эпюру углов закручивания, приняв за начало отсчета сечение, где приложен момент М0.

У к а з а н и я

Вначале следует построить эпюру крутящих моментов Тi.

Далее необходимо рассчитать углы закручивания по отдельным участкам вала. Углы закручивания отдельных сечений по отношению к начальному получаются алгебраическим сложением углов закручивания на участках. 

При вычислении углов φi на отдельных участках по формуле (3.2.5) значения Тi берутся с эпюры Тi с учетом знаков. Учитывается и знак отрезков li: для сечений, лежащих справа от условно неподвижного, принимается знак «+», слева – «–».

Ответ: φА = 0; φВ = 0,23о; φС = 0,52о; φD = 0,35о. 

Наклеп наблюдается не у всех материалов и даже не у всех металлов, таких, например, как свинец, олово и др. Явление наклепа широко используют в технике – упрочняют детали, подвергая их при изготовлении пластическому деформированию. Например, цепи и канаты подъемных машин подвергают предварительной вытяжке, чтобы устранить остаточные удлинения, которые могут возникнуть во время их работы. Аналогичной обработке подвергают также некоторые виды арматуры железобетонных конструкций, цилиндры гидравлических прессов, турбинные диски, пружины и другие элементы машин и механизмов.

Следует заметить, что после предварительной вытяжки металла в некотором направлении его механические свойства изменяются (металл наклепывается) при работе на растяжение только в том же направлении; при работе на сжатие в этом же направлении его свойства почти не изменяются. Последнее обстоятельство имеет большое значение для материала, который подвергается действию переменных напряжений.

В некоторых случаях явление наклепа является нежелательным. Например, оно встречается во многих технологических процессах – прокатке стержней, резании листового материала, штамповке тонкостенных изделий, пробивании отверстий в листах под заклепки и т.п. Для устранения вредного влияния наклепа материала обычно отжигают или удаляют ту часть материала, которая получила наклеп.

В зависимости от характеристик пластичности материалы подразделяют на пластичные и хрупкие. К хрупким относят материалы с малым относительным остаточным удлинением при разрыве (), например чугун, бетон, стекло. Диаграмма растяжения хрупких материалов, например чугуна (рис.1.11), не имеет площадки текучести. Для хрупких материалов при испытании на растяжение определяют в основном только предел прочности . Образец из хрупких материалов разрушается без образования шейки и зон сдвига. В результате отрыва частиц на нем появляется поперечная трещина, способствующая мгновенному разрушению (рис.1.12, б). На поверхности излома видна крупнозернистая структура материала.

Считают, что источником хрупкого разрушения являются различного рода структурные (микроскопические трещины с острыми углами и др.) и возникающие в ходе деформации дефекты. Трещиноподобные дефекты в материале способствуют более быстрому процессу разрушения, так как создают увеличение (концентрацию) напряжений в углах трещины. Концентрация напряжений может появиться и в местах включений, например в сером чугуне около включений графита в виде чешуек. Чтобы избежать концентрации напряжений у таких включений графита, им придают шаровидную форму, что достигается модифицированием чугуна магнием и некоторыми другими элементами. Напряжения, возникающие около концентраторов напряжений, создают благоприятные условия для распространения трещины разрушения по всему сечению, перпендикулярному оси образца.

Деление материалов на пластичные и хрупкие вообще условно, так как механические свойства их зависят от состояния, обусловленного условиями эксплуатации. Пластичные материалы при низких температурах разрушаются хрупко, а хрупкие при высоких давлениях проявляют незаурядные свойства пластичности.

Для испытаний на сжатие изготавливают короткие образцы: для металлов - цилиндры с отношением высоты к диаметру в пределах 1,5...3, для других материалов - кубики (см. табл.1.2). Применение более длинных образцов недопустимо, так как такие образцы могут искривляться и тем самым искажать результаты испытаний. Следует обратить внимание на некоторую условность получаемых результатов из-за наличия сил трения в опорных поверхностях образца. Поэтому стараются ослабить влияние сил трения введением различных смазок или приданием конусной формы торцевым поверхностям образца.


Расчеты на растяжение и сжатие