Построение эпюр нормальных сил N. Методика построения эпюр изгибающих моментов, поперечных и продольных сил Продольные силы и их эпюры определение

Q у │z 1 =а = 0 ;

R A – q . а = 0 ,

20 – 20а = 0 , откуда а = 1 м.

М х │z 1 =1 = 10 + 20 . 1 – 10 . 12 = 20 кНм.

2-й участок.

(1 м ≤ z 2 ≤ 2 м)

Q у = - R В – q . (z2 – 1) = -20 + 20 . (z 2 – 1) = +20z 2 – 40

(прямая с тем же наклоном) ;

при z 2 = 2 м

Q у = 20 . 2 – 40 = 0 ,

при z 2 = 1 м

Q у = 20 . 1 – 40 = - 40 кН,

(z2 – 1)

Мх = - М2 + RВ . (z2 – 1 ) - q . (z2 – 1 ) . ----------

2 = -30 + 20(z 2 – 1) – 10(z 2 – 1)2 = -10 z 2 2 + 40z 2 – 60

(квадратная парабола, у которой выпуклость – вниз, а касательная горизонтальна при z 2 = 2, где Q у = 0);

при z 2 = 2 м М х = -10 . 22 + 40 . 2 – 60 = -20 кНм, при z 2 = 1 м М х = -10 . 12 + 40 . 1 – 60 = -30 кНм.

3-й участок . (0 ≤ z 3 ≤ 1 м)

Q у = 0

М х = - М z = - 30 кНм (горизонтальная прямая) ; Эпюры построены.

3.4. Построение эпюры продольных сил

Центральным растяжением-сжатием (ЦРС) называется вид сопротивления, при котором в поперечных сечениях стержня из шести возможных компонент усилий присутствует только одна – продольная сила N .

Построение эпюры продольной силы N выполняется гораздо проще, чем эпюры поперечных сил и изгибающих моментов для балок.

Покажем это на примере.

Задача . Построить эпюру продольных сил для стержня, изображенного на рисунке при следующих значениях нагрузок:

F 1 = 40 кН, F 2 = 10 кН, F 3 = 20 кН, q 1 = 30 кН/м, q 2 = 5 кН/м.

1. Определим неизвестную опорную реакцию R , составив уравнение

равновесия для всего стержня и учитывая С 2.5, С 2.4, К 2.5, К 2.4 (рис. 3.20).

∑Z = 0 ,

R – F1 + F2 + F3

Q 1 . 2 – q 2 . 3 = 0 ,

R = -40 + 10 + 20 + 30

2 – 5 . 3 ,

R = +35 кН.

F =10 кН F3 =20 кН

2. Пронумеруем участки стержня (по направлению к заделке). В произвольном месте на каждом участке отметим поперечное сечение. Рассматривая либо левую, либо правую части стержня, запишем выражение для продольной силы N на каждом участке.

На участке 1, 2, 5 (рис. 3.21) усилие N постоянно и не зависит от того, в каком месте находится рассматриваемое сечение. На участке 2, 3, где приложена распределенная нагрузка, от расположения сечения зависит, какая часть распределенной нагрузки придется на отсеченную часть стержня.

Другими словами, усилие N будет зависеть от расположения сечения (в данном случае линейно). Чтобы это учесть, расположение сечения будем отмечать переменным расстоянием, которое можно отсчитывать от края рассматриваемой части стержня (z 3 – для 3-го участка и z 4 – для 4-го участка).

В данном случае несколько проще отсчитывать их от границы участка

При рассмотрении участков 1, 2, 3, 4 будем отбрасывать левую часть стержня.

1 участок . N 1 = F 1 = +20 кН (растяжение).

Строим график функции N 3 = -10 – 5z 3 (наклонная прямая).

График наклонной прямой обычно строят сосчитав значения функции при двух значениях аргумента, то есть проводя ее через две точки. В данном случае удобно определять ее значения на границах участка.

при z 3

м (правый край участка)

10 - 5 . 0 = -10 кН;

при z 3

м (левый край участка)

10 - 5 . 3 = -25 кН.

4 участок.

м ≤ z 4 ≤ 2 м (область определения N4 )

N 4 = F 3 + F 2 – F 1 – q 2

3 + q 1 . z 4 = 20 + 10 – 40 – 5 . 3 + 30 . z 4 = -25

30z 4

при z4 = 0 м

при z4 = 2 м

5 участок . N 5 = +R = +35 кН

3. Откладываем вычисленные значения продольной силы от горизонтальной оси («+» – вверх, «-» – вниз).

На участках с распределенной нагрузкой подсчитанные значения соединяем наклонными линиями, на остальных – усилие N не зависит от z и изображается горизонтальными линиями. Расставляем знаки, делаем штриховку. Эпюра построена.

Когда стержень имеет опору только с одной стороны, усилия на участках можно определять, отбрасывая всегда ту часть стержня, к которой приложена неизвестная реакция. В этом случае неизвестная реакция никогда не потребуется для определения усилий и эпюра может быть построена без определения реакций.

3.5. Построение эпюры крутящих моментов

Кручением называют простой вид сопротивления, при котором в сечении присутствуют (из шести возможных) одно единственное усилие – крутящий момент М z , который в технической литературе часто обозначают про-

сто М кр .

Построение эпюры крутящего момента выполняется аналогично тому, как строится эпюра продольных сил в случае центрального растяжения – сжатия.

Рассмотрим это на примере.

Задача . Построить эпюру крутящего момента для стержня, изображенного на рис. 3.22.

М1 =2М

М2 =5М

М3 =7М

М4 =3М

Иногда возникает необходимость при известных размерах и форме поперечного сечения определить из расчета на прочность нагрузку, которую сможет выдержать данный стержень. В этом случае изначально значения нагрузок неизвестны и они могут быть представлены лишь в буквенном выражении. При этом, естественно, и эпюры внутренних сил приходится строить, указывая не численные, а символические значения.

1. Нумеруем участки. На каждом из них показываем сечение (рис. 3.23).

М z М кр

2. Выбрав сечение на каждом участке, станем рассматривать правую часть стержня, отбрасывая левую, поскольку к ней приложен неизвестный реактивный момент, возникающий в жесткой заделке и препятствующий свободному вращению стержня относительно оси z .

Чтобы определить значение крутящего момента в сечении необходимо сосчитать все расположенные до него моменты, глядя на сечение вдоль оси z

и принимая их положительными, если они направлены против часовой стрелки, и отрицательным, если по часовой.

1 участок. М z = -2М

2 участок. М z = -2М + 5М = 3М

3 участок. М z = -2М + 5М – 7М = - 4М

4 участок. М z = -2М + 5М – 7М + 3М = - М

3. Поскольку в пределах одного участка значение крутящего момента оказалось не зависящим от расположения сечения, на эпюре соответствующие графики будут являться горизонтальными прямыми. Подписываем найденные значения и расставляем знаки. Эпюра построена.

Задание на выполнение расчетно-графической работы №2 по сопротивлению материалов

Для заданных двух схем балок (рис. 3.24) требуется написать выражения Q и М для каждого участка в общем виде, построить эпюры Q и М , найти М max и подобрать: а) для схемы «а» деревянную балку круглого поперечного сечения при [α ] = 8 МПа; б) для схемы «б» – стальную балку двутаврового поперечного сечения при [α ] = 8 МПа. Данные взять из табл. 2.

Т а б л и ц а 3.2

ℓ1

ℓ2

Расстояние в долях

точенная

а1 /а

а2 /а

а3 /а

Студент обязан взять из таблицы данные в соответствии со своим личным номером (шифром) и первыми шестью буквами русского алфавита, которые следует расположить под шифром, например:

шифр – 2 8 7 0 5 2

буквы – а б в г д е Если личный номер состоит из семи цифр, вторая цифра шифра не учи-

тывается.

Из каждого вертикального столбца таблицы, обозначенного внизу определенной буквой, надо взять только одно число, стоящее в той горизонтальной строке, номер которой совпадает с номером буквы. Например, вертикальные столбцы табл. Обозначены буквами «е», «г», и «д». В этом случае при указанном выше личном номере 287052 студент должен взять из столбца «е» вторую строку, из столбца «г» – нулевую строку, и из столбца «д» – пятую строку.

Работы, выполненные с нарушением этих указаний, не зачитываются.

a) q M

l1 =10a

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«ПЕРЕВОЗСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

Методическая разработка учебного занятия

тема «Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений и перемещений»

Организация-разработчик: ГБОУ СПО «Перевозский строительный колледж»

Разработчик: М.Н. Кокина

Методическая разработка учебного занятия на тему «Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений и перемещений» по дисциплине «Техническая механика»/ Перевозский строит. колледж; Разр.: М.Н. Кокина. – Перевоз, 2014. –18 с.

В данной работе указаны цель учебного занятия, задачи. Подробно рассмотрен ход занятия, в приложении представлен демонстрационный и раздаточный материал. Методическая разработка написана с целью систематизации учебного материала.

Методическая разработка предназначена для преподавателей и студентов, обучающихся по специальности 270802, 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

Работа может быть использована при проведении, занятий, открытого занятия, олимпиады. Студентам может быть полезна при подготовке к зачету, экзамену.

Введение

Методическая разработка учебного занятия на тему «Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений и перемещений» по дисциплине «Техническая механика» предназначена для студентов 2 курса, специальности 270802, 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

Выбор указанной темы обусловлен тем, что данные понятия и методы являются опорной базой для целого ряда технических дисциплин.

В ходе учебного занятия использовались:

    компьютерные и мультимедийные технологии;

    интерактивная доска;

  • объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, частично-поисковый методы обучения;

    раздаточные материалы.

В ходе изучения темы «Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений и перемещений» у обучающихся формируются следующие компетенции:

    ПК 1.3.Выполнять несложные расчеты и конструирование строительных конструкций.

    ОК 1 Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

    ОК 2 Организовывать собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

    ОК 3 Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

    ОК 4 Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

    ОК 5 Использовать информационно-коммуникационные технологии для совершенствования профессиональной деятельности.

    ОК 6 Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

    ОК 7 Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий.

План-конспект открытого учебного занятия по дисциплине «Техническая механика»

Преподаватель: Кокина Марина Николаевна

Группа: 2-131, специальность 270802 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

Тема занятия: Построение эпюр продольных сил, напряжений и перемещений

Вид занятия: практическое.

Тип занятия: комбинированный урок с использованием компьютерных и мультимедийных технологий с элементами игры.

Форма проведения: работа в группах, самостоятельная работа.

Межпредметная связь: «Математика»,«Материаловедение», «Физика».

Основная цель учебного занятия: Научиться строить эпюры продольных сил, напряжений и определять перемещение для бруса при растяжении или сжатии.

Задачи учебного занятия:

Учебная:

– рассмотреть алгоритм нахождения продольной силы методом сечений и построения ее эпюры;

Научиться вычислять нормальное напряжение для растяжения или сжатия в поперечном сечении для ступенчатого бруса и строить эпюру для данного напряжения;

Научиться определять перемещение свободного конца бруса.

Развивающая:

Развитие интеллектуальных качеств обучающихся, познавательного интереса и способностей;

Развитие умения использовать полученные знания.

Воспитательная:

– формирование сознательного отношения к изучаемому материалу;

– воспитание культуры труда, формирование навыков самостоятельной работы.

Методы обучения:

    Объяснительно-иллюстративный.

    Репродуктивный.

    Частично-поисковый.

Средства обучения:

– интерактивная доска;

– ноутбук.

Раздаточный материал:

Карточки-задания;

Учебная литература:

    Олофинская, В.П. Техническая механика. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2011

    Олофинская, В.П. Техническая механика. Сборник тестовых заданий. – М.: ФОРУМ, 2011

Подготовка к занятию

1.Разбить группу на две равносильные команды.

2.Выдать задания командам:

a) Выбрать капитана;

b) Придумать название команды и ее девиз;

c) Составить кроссворд по теме «Растяжение и сжатие» (10 слов);

План учебного занятия

    Организационный момент (3 минуты);

    Актуализация ранее полученных знаний. (12 минут);

    Актуализация материала на примере решения задач (15 минут);

    Закрепление материала (55 минут);

    Подведение итогов и результатов занятий (5 минут);

Ход занятия

    Организационный момент. (3 минуты)

      1. Проверка присутствующих. Объявление темы и целей занятия. (Слайд 1)

        Представление жюри. В состав жюри входят приглашенные преподаватели. (По ходу занятия члены жюри вносят баллы в итоговую ведомость – приложение 1).

        Знакомство с командами. Визитная карточка. (5 баллов)

    Актуализация ранее полученных знаний. (12 минут)

Мы изучили тему «Растяжение и сжатие прямого бруса» в разделе «Сопротивление материалов». Познакомились с основными понятиями и определениями. Изучили методику нахождения величины внутренних усилий. Рассмотрели принципы построения эпюр. Сегодня мы в течение занятия повторим эту тему, обобщим и систематизируем полученные знания, отработаем навыки вычисления внутренних усилий и напряжений и построения их эпюр. Работать будем в командах. Но, прежде, чем приступить к решению, давайте повторим теоретический материал.

Разминка (фронтальный опрос).

Сейчас мы с вами проведем небольшой блиц-опрос по теме «Растяжение и сжатие прямого бруса». Каждой команде по очереди предстоит ответить на вопросы. Право первого ответа мы разыграем с помощью интерактивного игрального кубика. Если выпадает четное число, то первой отвечает вторая команда, если нечетное – первая.

Правильный ответ – 10 баллов.

    Дайте определение понятия Сопротивление материалов (Слайд 2)

    Установите соответствие между понятиями и определениями (Слайд 3).

    Покажите на схеме положение внутренних усилий. (Слайд 4)

    Какой внутренний силовой фактор возникает при растяжении или сжатии? (Слайд 5)

    Какой метод используется для определения продольной силы? (Слайд 6).

    Установите порядок выполнения действий метода сечений? (Слайд 7).

    Как называется диаграмма, график, показывающий изменение какой-либо величины по длине бруса. (Слайд 8).

    Кто вывел данную экспериментальную формулу? (Слайд 9).

    Что понимается под напряжением? (Слайд 10)

    Составить формулу для определения нормального напряжения при растяжении или сжатии. (Слайд 11)

3. Актуализация материала на примере решения задач (15 минут)

Ознакомиться с примером построения эпюр продольных сил, напряжений и перемещений. (Слайд 12)

Задача 1. Двухступенчатый стальной брус нагружен силами F 1 =30 кН F 2 =40 кН.

l свободного конца бруса, приняв Е=2∙10 5 МПа. Площади поперечных сечений А 1 =1,5см 2 ;А 2 =2см 2 .

Разбить брус на участки, начиная от свободного конца. Границами участков являются сечения, в которых приложены внешние силы, а для напряжений также и место изменения размеров поперечного сечения.

Определить по методу сечений продольную силу для каждого участка (ординаты эпюры N ) и построить эпюры продольных сил N . Проведя – параллельно оси бруса базовую (нулевую) линию эпюры, отложить перпендикулярно ей в произвольном масштабе получаемые значения ординат. Через концы ординат провести линии, проставить знаки и заштриховать эпюру линиями, параллельными ординатам.

Для построения эпюры нормальных напряжений определяем напряжения в поперечных сечениях каждого из участков. В пределах каждого участка напряжения постоянные, т.е. эпюра на данном участке изображается прямой, параллельной оси бруса.

Перемещение свободного конца бруса определяем как сумму удлинений (укорочений) участков бруса, вычисленных по формуле Гука.

Разбиваем брус на участки.

Определяем ординаты эпюры N на участках бруса:

N 1 = - F 1 = -30кН

N 2 = - F 2 = -30кН

N 3 = -F 1 +F 2 = -30+40=10 кН

Строим эпюру продольных сил

Вычисляем ординаты эпюры нормальных напряжений

σ 1 ==
= –200МПа

σ 2 ==
= –150МПа

σ 3 ==
= 50МПа

Строим эпюры нормальных напряжений.

4. Проверяем прочность бруса, если допускаемое напряжение [σ ] = 160 МПа.

Выбираем максимальное по модулю расчетное напряжение. Iσ max I = 200 МПа

Подставляем в условие прочности Iσ max I ≤ [σ ]

200 МПа ≤ 160 МПа. Делаем вывод, что прочность не обеспечена.

5. Определяем перемещение свободного конца бруса Е = 2∙10 5 МПа.

l =∆l 1 +∆l 2 +∆l 3

l 1 =
=
= – 0,5мм

l 2 =
=
= – 0,225мм

l 3 =
=
= 0,05мм

l = - 0,5 – 0,225 + 0,05 = – 0,675мм

Брус укоротился на 0,675мм

    Закрепление материала. (55 минут) (Слайд 13, Слайд 14)

    Задание – эстафета (25 минут)

Двухступенчатый стальной брус нагружен силами F 1 , F 2 .

Построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений по длине бруса. Проверить прочность бруса, если допускаемое напряжение [σ ] = 160 МПа. Определить перемещение ∆l свободного конца бруса, приняв Е=2∙10 5 МПа. Площади поперечных сечений А 1 =5 см 2 ;А 2 =10 см 2 . Длина l = 0,5 м. Первая команда F 1 = 50 кН, F 2 = 30 кН. Вторая команда F 1 = 30 кН, F 2 = 50 кН.

F 1

l l l


l l l

Задание каждого этапа эстафеты – 5 баллов

1 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Разбить брус на участки. Пронумеровать эти участки.

2 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину продольной силы на первом участке.

3 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину продольной силы на втором участке.

4 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину продольной силы на третьем участке.

5 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Построить эпюру для продольной силы.

6 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину нормального напряжения на первом участке.

7 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину нормального напряжения на втором участке.

8 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину нормального напряжения на третьем участке.

9 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Построить эпюру для нормального напряжения.

10 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Проверить прочность бруса. Допускаемое напряжение [σ ] = 160 МПа.

11 этап эстафеты (конкурс капитанов) – 10 баллов

Определить перемещение свободного конца бруса.

    1. Работа в группах (Карточки с заданиями) (10 минут) (Слайд 15)

Каждой команде необходимо выполнить задание. Задания мы разыграем с помощью интерактивного игрального кубика. Если выпадает нечетное число, то первое задание достается первой команде, если четное – то второй. Второе задание автоматически переходит к другой команде. Время выполнения – 10 минут задано на интерактивном таймере. (Карточки – задания приложение 2)

    1. Разгадывание кроссвордов. (10 минут) (Слайд 16)

Команды отгадывают кроссворд, составленный соперниками. Время разгадывания – 10 минут задано на интерактивном таймере.

Каждый правильный ответ 5 баллов.

    1. Творческое задание. (10 минут) (Слайд 17)

Сочинить стихотворение со словами:

Растяжение

Сжатие

Эпюра

Сила

Прочность

Выполнение данного задания - 10 баллов.

    Подведение итогов (5 минут) (Слайд 18)

Заполнить таблицу:

Я знал

Я узнал

Я хочу узнать

Пока обучающиеся заполняют таблицу, жюри подсчитывает количество баллов, набранное каждой командой.

Объявление победителей. Выставление оценок.

Спасибо за работу на занятии! (Слайд 19)

Приложения

Приложение 1.

Итоговая ведомость

Вид задания

1 команда

Название

Капитан

2 команда

Название

Капитан

Визитная карточка команды

Максимальное количество баллов - 5

Фронтальный опрос

За каждый правильный ответ

Эстафета

1 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

2 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

3 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

4 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

5 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

6 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

7 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

8 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

9 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

10 этап эстафеты

Максимальное количество баллов – 5

11 этап эстафеты (конкурс капитанов)

Работа в группах (карточки с заданиями)

Максимальное количество баллов – 10

Разгадывание кроссвордов

Центральное растяжение-сжатие возникает в случае, когда на концах стержня вдоль его оси действуют две равные противоположно направленные силы. При этом в каждом сечении по длине стержня возникает внутреннее усилие ( $N$ кН), которая численно равна сумме всех сил, которые действуют вдоль оси стержня и расположены с одной стороны от сечения.

Из условий равновесия отсеченной части стержня $N = F$.

Продольная сила при растяжении считается положительной, при сжатии - отрицательной .

Пример определения внутренних сил.

Рассмотрим брус, нагруженный внешними силами вдоль оси. Брус закреплен в стене (закрепление «заделка») (рис. 20.2а). Делим брус на участки нагружения.

Участком нагружения считают часть бруса между внешними силами.

На представленном рисунке 3 участка нагружения.

Воспользуемся методом сечений и определим внут-ренние силовые факторы внутри каждого участка.

Расчет начинаем со свободного конца бруса, что-бы не определять величины реакций в опорах.

Продольная сила положи-тельна, участок 1 растянут.

Продольная сила положительна, участок 2 растянут.

Продольная сила отрицательна, участок 3 сжат.

Полученное значение N 3 равно реакции в заделке.

Под схемой бруса строим эпюру продольной силы (рис. 20.2, б).

Эпюрой продольной силы называется график распределения продольной силы вдоль оси бруса.

Ось эпюры параллельна продольной оси.

Нулевая линия про-водится тонкой линией. Значения сил откладывают от оси, положительные — вверх, отрицательные — вниз.

В пределах одного участка значение силы не меняется, поэто-му эпюра очерчивается отрезками прямых линий, параллельными оси Oz.

Напряжения. Действующие и допускаемые напряжения

Величина внутренней силы дает представление о сопротивлении поперечного сечения в целом (интегрально), но не дает представления об интенсивности работы материала в отдельных точках сечения. Так, при равной продольной силе материал в стержне с большим сечением будет работать менее интенсивно, менее напряженно чем меньший.

Напряжения - внутренние силы, приходящиеся на единицу площади сечения. Напряжения, направленные перпендикулярно (по нормали) к сечению называются нормальными .

$\sigma = \frac{N}{A}$

Единицы измерения напряжений - Па, кПа, МПа.

Знаки напряжений принимают так, как и для продольной силы.

Действующие напряжения - напряжения, которые возникают в рассматриваемом сечении.

Любой стержень в момент разрушения имеет определенные напряжения, которые зависят только от материала стержня и не зависят от площади сечения.

Допускаемые напряжения $\left[ \sigma \right]$ - такие напряжения, которые не должны быть превышены в запроектированных конструкциях. Допустимые напряжения зависят от прочности материала, характера его разрушения, степени ответственности конструкции.

Принцип Сен-Венана : в сечениях, достаточно удаленных от места приложения нагрузки, распределение напряжений не зависит от способа приложения нагрузки, а зависит только от его равнодействующей.

то есть, распределение напряжений в сечении I-I для трех различных случаев, показанных на рисунке, принимается одинаковым.

Рисунок - иллюстрация принципа Сен-Венана

Абсолютная и относительная деформация

При растяжении возникает удлинение стержня - разница между длиной стержня до и после погрузки. Эта величина называется абсолютной деформацией .

$\Delta l = {l_1} - l$

Относительная деформация - отношение абсолютной деформации к первоначальной длине.

$\varepsilon = \frac{{\Delta l}}{l}$

$\sigma = E \cdot \varepsilon $

Таблица - физико-механические характеристики материалов

Материал

Модуль упругости, х10 10 Па

Коэффициент Пуассона

Сталь

19 - 21

0,25 - 0,33

Чугун

11,5 - 16

0,23 - 0,27

Медь, латунь, бронза

0,31 - 0,42

Алюминий

0,32 - 0,36

Кирпичная кладка

Бетон

1 - 3

0,1 - 0,17

Каучук

0,0008

0,47

Пример 1. Построить эпюру для колонны переменного сечения (рис. а ). Длины участков 2 м. Нагрузки: сосредоточенные =40 кН, =60 кН, =50 кН; распределенная =20 кН/м.

Рис. 1. Схема построения эпюры продольных сил N

Решение: Пользуемся методом сечений. Рассматриваем (поочередно) равновесие отсеченной (верхней) части колонны (рис. 1 в ).

Из уравнения для отсеченной части стержня в произвольном сечении участка продольная сила

(),

при =0 кН;

при =2 м кН,

в сечениях участков имеем соответственно:

КН,

КН,

КН,

Итак, в четырех сечениях продольные силы отрицательны, что указывает на деформацию сжатия (укорочения) всех участков колонны. По результатам вычислений строим эпюру продольных сил (рис. 1б ), соблюдая масштаб. Из анализа эпюры следует, что на участках, свободных от нагрузок, продольная сила постоянна, на нагруженных – переменна, в точках приложения сосредоточенных сил – изменяется скачкообразно.

Пример 2. Построить эпюру N z для стержня, приведенного на рисунке 2.

Рис. 2. Схема нагружения стержня

Решение: Стержень нагружен только сосредоточенными осевыми силами, поэтому продольная сила в пределах каждого участка постоянна. На границе участков N z претерпевает разрывы. Примем направление обхода от свободного конца (сеч. Е ) к защемлению (сеч. А ). На участке DE продольная сила положительна, так как сила вызывает растяжение, т.е. N ED = + F . В сечении D продольная сила меняется скачком от N DE = N ED = F до N D С = N D Е – 3 F = 2 F (находим из условия равновесия бесконечно малого элемента dz , выделенного на границе двух смежных участков CD и DE ).

Заметим, что скачок равен по величине приложенной силе 3 F и направлен в сторону отрицательных значений N z , так как сила 3F вызывает сжатие. На участке CD имеем N СD = N DС = 2 F . В сечении C продольная сила изменяется скачком от N СD = 2 F до N СВ = N СD + 5 F = 3 F . Величина скачка равна приложенной силе 5 F . В пределах участка продольная сила опять постоянна N СВ = N ВС =3 F . Наконец, в сечении В на эпюре N z опять скачок: продольная сила меняется от N ВС = 3 F до N ВА = N ВС – 2 F = F . Направление скачка вниз (в сторону отрицательных значений), так как сила 2 F вызывает сжатие стержня. Эпюра N z приведена на рисунке 2.

Определение перемещений

Задание

Для заданного статически определимого стального бруса требуется:

1) построить эпюры продольных сил N и нормальных напряжений σ, записав в общем виде для каждого участка выражения N и σ и указав на эпюрах их значения в характерных сечениях;

2) определить общее перемещение бруса и построить эпюру перемещений δ поперечных сечений, приняв модуль упругости Е = 2·10 МПа.

Цель работы научиться строить эпюры продольных сил и нормальных напряжений, и определять перемещения.

Теоретическое обоснование

Виды нагружения бруса, при котором в его поперечном сечении возникает только один внутренний силовой фактор – , называемый растяжением или сжатием . Равнодействующая внешних сил прикладывается в центре тяжести поперечного сечения и действует вдоль продольной оси. Внутренние силы определяются с помощью метода сечений. Нормальная сила в сечении бруса является равнодействующей нормальных напряжений, действующих в плоскости поперечного сечения

N = ∑F (5.1).

Величина продольных сил в разных сечениях бруса неодинакова. График, показывающий изменение величины продольных сил в сечении бруса по его длине, называется эпюрой продольных сил.

Закон распределения напряжений может быть определен из эксперимента. Установлено, что если на стержень нанести прямоугольную сетку, то после приложения продольной нагрузки вид сетки не изменится, она по-прежнему останется прямоугольной, а все линии прямыми. Поэтому можно сделать вывод о равномерном по сечению распределении продольных деформаций, а на основании закона Гука (σ = Eε ) и нормальных напряжений S = const. Тогда N = S· F , откуда получим формулу для определения нормальных напряжений в поперечном сечении при растяжении

σ = МПа (5.2)

A – площадь около рассматриваемого участка бруса;

N– равнодействующая внутренних сил в пределах этой площадки (согласно метода сечений).

Для обеспечения прочности стержня должно выполняться условие прочности - конструкция будет прочной, если максимальное напряжение ни в одной точке нагруженной конструкции не превышает допускаемой величины, определяемой свойствами данного материала и условиями работы конструкции, то есть

σ ≤ [σ ], τ ≤ [τ] (5.3)

При деформации бруса меняется его длина на и поперечный размер – на . Эти величины зависят и от начальных размеров бруса.

Поэтому рассматривают

– продольная деформация; (5.4)

– поперечная деформация. (5.5)

Экспериментально показано, что , где μ = 0, …, 0,5 – коэффициент Пуассона. Примеры: μ=0 – пробка, μ=0,5 – резина, – сталь.

В пределах упругой деформации выполняется закон Гука: , где E – модуль упругости, или модуль Юнга.

Порядок выполнения работы

1. Разбиваем брус на участки, ограниченные точками приложения сил (нумерацию участков ведем от незакрепленного конца);

2. Используя метод сечений, определяем величину продольных сил в сечении каждого участка: N = ∑F ;

3. Выбираем масштаб и строим эпюру продольных сил, т.е. под изображением бруса (или рядом) проводим прямую, параллельную его оси, и от этой прямой проводим перпендикулярные отрезки, соответствующие в выбранном масштабе продольным силам (положительное значение откладываем вверх (или вправо), отрицательное – вниз (или влево).

4. Определяем общее перемещение бруса и строим эпюру перемещений δ поперечных сечений.

5. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Что называется стержнем?

2. Какой вид нагружения стержня называются осевым растяжением (сжатием)?

3. Как вычисляется значение продольной силы в произвольном поперечном сечении стержня?

4. Что такое эпюра продольных сил и как она строится?

5. Как распределены нормальные напряжения в поперечных сечениях центрально-растянутого или центрально-сжатого стержня, и по какой формуле они определяются?

6. Что называется удлинением стержня (абсолютной продольной деформацией)? Что такое относительная продольная деформация? Каковы размерности абсолютной и относительной продольных деформаций?

7. Что называется модулем упругости Е? Как влияет величина Е на деформации стержня?

8. Сформулируйте закон Гука. Напишите формулы для абсолютной и относительной продольных деформаций стержня.

9. Что происходит с поперечными размерами стержня при его растяжении (сжатии)?

10. Что такое коэффициент Пуассона? В каких пределах он изменяется?

11. С какой целью проводятся механические испытания материалов? Какие напряжения являются опасными для пластичных и хрупких материалов?

Пример выполнения

Построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений для нагруженного стального бруса (рис. 5.1). Определить удлинение (укорочение) бруса, если E

Рис.5.1

Дано: F = 2 kH, F = 5 kH, F = 2 kH, A = 2 см , А , l = 100 мм, l = 50 мм, l = 200 мм,



Похожие статьи