Растяжение и сжатие сопромат

Растяжение — Сжатие | ПроСопромат.ру

Условие прочности при растяжении (сжатии):,где

-площадь поперечного сечения; - максимальная продольная сила;

-максимальное нормальное напряжение; или — допускаемое напряжение

Если расчет ведется по методу предельных состояний,то в расчет вместо допускаемого напряжения вводится расчетное сопротивление материала R.

Три типа задач при расчете на прочность при растяжении (сжатии)

1. Проверочный расчет

2. Проектный расчет или подбор сечения

3. Определение допускаемой нагрузки

Рассмотрим схему, согласно которой стержень растягивается силой Р. Ширина стержня b, длина ℓ.

Под действием силы Р стержень удлиняется на величину ∆ℓ (абсолютная деформация), а его поперечное сечение уменьшается и становится равным b'. Тогда найдем величину отношения абсолютной деформации к первоначальной длине бруса:

Эта безразмерная величина называется относительной продольной деформацией.

Это относительная поперечная деформация.

Отношение называется коэффициентом Пуассона, который для каждого материала имеет свое значение и изменяется в приделах от 0 до 0,5 (0,5 — каучук ,0 — пробка):

медь, μ = 0,31 : 0,34; сталь, μ = 0,25 : 0,33; чугун, μ = 0,19 : 0,27; бетон, μ = 0,08 : 0,18

Коэффициент Пуассона характеризует физические свойства материала.

Влияние собственного веса на напряжения и деформации.В длинных вертикальных брусьях существенную роль играет собственный вес, он вызывает напряжения и деформации, которые нельзя не учитывать. Вес материала G представляет собой нагрузку, равномерно распределенную по объему бруса. Рассмотрим схему, согласно которой стержень подвергается действию собственного веса G (а).

Схема к учету собственного веса: а) общее нагружение; б) для определения напряжений; в) для определения удлинений

Проведем сечение 1 – 1 и рассмотрим равновесие отсеченной части (рис. б). В сечении 1 – 1 будет действовать неизвестное усилие от собственного веса NG, Составим уравнение равновесия на ось z:

, где - это удельный вес, т.е. вес единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами).

Определим напряжение от собственного веса:

Как видно из формулы, напряжения от собственного веса не зависят от площади сечения. Наибольшие напряжения возникают в верхнем ,закрепленном сечении ,где z=l.

(1)

Теперь разберемся с деформациями. Так как напряжения возрастают пропорционально расстоянию z, то и относительные удлинения бесконечно малых по длине элементов бруса dz согласно закону Гука пропорциональны величине z:

Абсолютное удлинение элемента dz составляет:

Полное удлинение всего бруса складывается из удлинений отдельных элементов:

(2)Умножим числитель и знаменатель на А:

(3), где -вес всего стержня.

Если сравнить формулу (3) и формулу закона Гука для деформаций: увидим, что абсолютное удлинение бруса от собственного веса равно половине того удлинения, которое получит тот же брус от силы, равной его весу и приложенной к свободному концу.

Иными словами, абсолютное удлинение от собственного веса равно удлинению, которое получит брус, если его вес будет сосредоточен в центре тяжести.

Вывод закона Гука при растяжении – сжатии. В ходе многочисленных экспериментов установлена зависимость между нагрузкой, приложенной к стержню, и перемещениями сечений, к которым эта нагрузка приложена:

(1), где ∆ℓ – абсолютное удлинение стержня, ℓ – длина этого стержня, А – площадь сечения стержня , Е – модуль упругости первого рода (модуль Юнга), характеризует жесткость материала, то есть способность материала сопротивляться действию внешних сил, чем жестче материал, тем меньше он деформируется при данной величине напряжений... Размерность Е — [МПа]. Для каждого из материалов величина модуля упругости имеет свое значение: сталь, Е = 2.105 МПа, медь, Е = 1.105 МПа, алюминий, Е = 0,7.105 МПа. Значение модуля упругости устанавливается экспериментально.

Произведение ЕА – называется жесткостью сечения стержня при растяжении – сжатии.

Учитывая, что F/А = σ, выражение (1) можно записать так: В этой формуле поделим левую и правую части на ℓ , тогда в правой части длины ℓ сократятся, а в левой получим:

получаем величину относительной продольной деформации.

Тогда: Или, собственно, закон Гука при растяжении-сжатии:

Этот закон был предложен в 1660 г. английским физиком Гуком (закон был опубликован только в 1678 г.). В 1680 г. этот же закон независимо от Гука открыл французский ученый Мариотт.

Температурные напряжения. При нагреве или охлаждении в элементах конструкций возникают напряжения. Рассмотрим стержень, защемленный с двух сторон и подвергающийся нагреву, т.е. имеем: t2>t1.

Схема к расчету нагретого стержня

В случае, если при нагреве или охлаждения стержня, ничего не препятствует изменению его длины, то в нем не возникает никаких напряжений. Другое дело в статически неопределимых системах. При нагреве бруса, жестко защемленного обоими концами (см. схему), заделки препятствуют его свободному удлинению, и в них возникают реактивные силы Р1 и Р2 , вызывающие сжатие бруса.

Составим уравнение статики: Р1 – Р2 = 0 Как видим, задача статически неопределима.

Если мысленно снять правое защемление, то под действием усилия распора и температуры возникнут перемещения:

, где α – коэффициент линейного расширения материала. Тогда имеем:

Напряжения, вызванные изменением температуры в стержне постоянного сечения, не зависят от его длины, площади поперечного сечения, а зависят от модуля упругости, коэффициента линейного расширения α и разности температур ∆t.

При нагреве стержня в нем возникают сжимающие напряжения при невозможности свободного удлинения (а), при охлаждении – растягивающие, поскольку брус будет испытывать растяжение, не имея возможности свободно укорачиваться (б). Вообще при изучении температурных напряжений следует строго разграничивать понятия: растяжение и удлинение, сжатие и укорочение, так как в некоторых задачах стержни могут удлиняться, испытывая при этом сжатие и наоборот.

Растяжение (сжатие) – это такой вид нагружения стержня, при котором в его поперечном сечении возникает внутренняя продольная сила Ν, действующая вдоль центральной оси z.

Продольная сила Ν – это равнодействующая всех внутренних нормальных сил в сечении. Для вычисления продольной силы применяется метод сечений.

Продольная сила Ν численно равна алгебраической сумме проекций всех сил, действующих по одну сторону от рассматриваемого сечения, на продольную ось бруса.

Правило знаков для продольной силы Ν: при растяжении продольная сила положительна, при сжатии – отрицательна.

График изменения продольных сил по длине стержня называется эпюрой. Эпюра N строится методом сечений на характерных участках бруса. Строится эпюра для использования ее при расчете бруса на прочность. Она дает возможность найти наибольшие значения продольных сил и положение сечений, в которых они возникают.

При растяжении (сжатии) возникают только нормальные напряжения. Согласно гипотезе Я. Бернулли (или гипотеза плоских сечений) в поперечных сечениях, удаленных от места приложения нагрузок, нормальные напряжения распределяются по сечению практически равномерно, а сами сечения, перпендикулярные к оси стержня z, остаются плоскими в процессе нагружения.

Нормальные напряжения в сечении при растяжении (сжатии) вычисляются по формуле

где А – площадь поперечного сечения.

Правило знаков для σ совпадает с правилом знаков для N.

В наклонном сечении, нормаль к которому составляет угол α с осью стержня z,

При растяжении в продольном направлении стержень удлиняется, а его поперечные размеры уменьшаются, при сжатии, напротив, в продольном направлении стержень укорачивается, а его поперечные размеры увеличиваются; Δℓ — абсолютное удлинение или укорочение участка стержня длиной ℓ, Δb – абсолютная поперечная деформация.

Относительное удлинение или укорочение участка стержня длиной ℓ, называемое линейной деформацией, определяется следующим образом

ε=Δℓ/ℓ.

Экспериментально установлено, что в определенной области нагрузок при упругом поведении материала между нормальными напряжениями и линейными деформациями существует линейная зависимость (закон Гука для напряжений)

σ=εЕ,

где Е – модуль продольной упругости или модуль Юнга, это физическая const. Для каждого из материалов величина модуля упругости имеет свое значение:

сталь, Е = 2.105 МПа,

медь, Е = 1.105 МПа,

алюминий, Е = 0,7.105 МПа.

Значение модуля упругости устанавливается экспериментально.

Согласно закону Гука (данную запись называют законом Гука для деформаций)

Δℓ=Νℓ/ЕА

Произведение ЕА – называется жесткостью стержня при растяжении – сжатии.

Перемещение произвольного сечения ступенчатого стержня

w=∑Δℓi

Относительная поперечная деформация:

ε′=Δb/b

где b – поперечный размер стержня.

Эксперименты также показывают, что в упругой стадии деформирования между продольной и поперечной деформациями существует взаимосвязь

μ =│ε′⁄ε│ — const,

где μ - коэффициент Пуассона, берется по модулю ,поскольку у продольной и поперечной деформации разные знаки (при растяжении продольные волокна увеличиваются, а поперечные уменьшаются в размере).

Для твердых материалов имеет значения коэффициент Пуассона

0≤μ ≤0,5

Изменение температуры стержня вызывает его удлинение (при нагревании) или укорочение (при охлаждении)

где — a- коэффициент линейного температурного расширения; Δtº=(tºк-tºн) — изменение температуры между значениями начальным (tºн) и конечным (tºк).

Статически неопределимыми называют системы, имеющие лишние связи – внешние или внутренние.

Для определения внутренних усилий в таких системах недостаточно рассматривать только уравнения равновесия.

В этом случае требуются дополнительные уравнения, число которых равно количеству лишних связей. Дополнительные уравнения составляются на основе анализа картины деформирования системы и использования законов деформирования ее элементов.

Алгоритм решения подобных задач включает следующее:

1) Статическая часть. Составляются уравнения равновесия с включением неизвестных усилий, действующих по направлению лишних связей.

2) Геометрическая часть. Составляются уравнения, описывающие взаимосвязь перемещений характерных точек, удлинений и укорочений отдельных стержней между собой.

3) Физическая связь. Записываются законы деформирования отдельных стержней системы.

Порядок расчета статически неопределимых брусьев

Задаться направлениями возможных опорных реакций и составить уравнение статики для всей системы в целом.
Определить степень статической неопределимости и использовать метод сечений с целью выразить неизвестные усилия через неизвестные опорные реакции. При этом неизвестные продольные силы (N) следует предполагать положительными и поэтому направлять «от сечения».
Сформулировать условие совместности деформаций участков бруса.
В процессе превращения условия совместности в уравнение совместности деформаций различий в характере деформаций участков не учитывать.

Порядок расчета статически неопределимых шарнирно-стержневых систем

Задаться направлениями опорных реакций, но уравнений равновесия для всей системы не составлять, а сразу использовать метод сечений и составить уравнения статики для выделенной части системы.
Определить степень статической неопределимости как разницу между количеством всех неизвестных, оказавшихся в уравнениях статики, и числом самих этих уравнений.
Рассмотреть (изобразить) любую возможную картину деформаций системы и из ее анализа сформулировать условия совместности деформаций стержней системы (столько, какова степень статической неопределимости).
В процессе преобразования условий совместности в уравнения совместности деформаций обязательно учитывать различие в характере деформаций стержней (т.е. вводить удлинение со знаком «плюс», а укорочение со знаком «минус») в соответствии с той картиной деформации, которую мы рассматриваем.

prosopromat.ru

Что такое растяжение и сжатие?

Растяжение и сжатие является первым разделом с которым знакомятся студенты в рамках сопромата. Растяжение (сжатие) – это такой способ воздействия на стержень при котором в его поперечных сечениях возникает только одно внутреннее усилие – продольная сила.

Какие существуют виды растяжения и сжатия?

Указанное выше определение относится только к центральному растяжению или сжатию, то есть все внешние силы, в этом случаем, прикладываются к центру тяжести поперечных сечений, то есть они направленны вдоль оси стержней. В сопромате есть более сложный вид растяжения при котором силы прикладываеются внеценртенно, а в поперечных сечениях в ответ появляется сразу несколько внутренних силовых факторов. Для решения задач на данную тематику потребуются знания сразу нескольких разделов сопромата, поэтому будем продвигаться постепенно, начиная с более простых тем, данная статья будет посвященна только центральному растяжению и сжатию.

Метод сечений и растяжение (сжатие)

Как говорилось выше, в центрально растянутых или сжатых элементах конструкций возникают только продольные усилия. Как узнать численное значение этих сил? Для их определения сопроматчики пользуются методом сечений. В чем собственно этот метод заключается? Если тело нагружено внешними силами находится в равновесии, то и отдельные части этого тела будут находится в равновесии. Данный метод позволяет устанавливать связь между внутренними и внешними силами. Рассмотрим этот метод в действии на примере бруса, который растягивается какой-то внешней силой.

Например, если мы хотим узнать продольное усилие в поперечном сечении, находящемся справа от свободно торца бруса на расстоянии x, мысленно рассекаем брус в намеченном месте, компенсируем действие одной части бруса на другую прикладывая силы N, то есть уравновешиваем одну часть и другую, тем самым сила N и будет той искомой внутренней продольной силой, не трудно догадаться что эта сила будет численно равна внешней силе F.

Отличием здесь служит только направление этих сил. Так же очевидно, что в каком бы месте бруса мы не делали сечение и находили продольную силу, она бы всегда была равна внешней. Отсюда, формулируем полезное правило, которое в дальнейшем обязательно пригодится: если в пределах участка нагруженного стержня действует только постоянная внешняя сила, то в поперечных сечениях стержня на данном участке будут возникать одинаковые внутренние усилия, которые численно будут равны внешней силе.

На практике в стержнях по всей длине могут возникать различные по величение продольные силы. Для того чтобы отслеживать их величину по всей длине, сопроматчики придумали строить так называемые эпюры продольных сил.

Эпюра в сопромате – это график показывающий распределение какой-либо величины по длине нагруженного элемента.

sopromats.ru

Центральное (осевое) растяжение (сжатие) стержней

Нормальные напряжения в сечении при растяжении (сжатии) вычисляются по формуле

где А – площадь поперечного сечения.

Правило знаков для σ совпадает с правилом знаков для N.

В наклонном сечении, нормаль к которому составляет угол α с осью стержня z,

ε=Δℓ/ℓ.

σ=εЕ,

сталь, Е = 2.105 МПа,

медь, Е = 1.105 МПа,

алюминий, Е = 0,7.105 МПа.

Значение модуля упругости устанавливается экспериментально.

Согласно закону Гука (данную запись называют законом Гука для деформаций)

Δℓ=Νℓ/ЕА

Произведение ЕА – называется жесткостью стержня при растяжении – сжатии.

Перемещение произвольного сечения ступенчатого стержня

w=∑Δℓi

Относительная поперечная деформация:

ε′=Δb/b

где b – поперечный размер стержня.

μ =│ε′⁄ε│ — const,

Для твердых материалов имеет значения коэффициент Пуассона

0≤μ ≤0,5

Изменение температуры стержня вызывает его удлинение (при нагревании) или укорочение (при охлаждении)

Статически неопределимыми называют системы, имеющие лишние связи – внешние или внутренние.

Для определения внутренних усилий в таких системах недостаточно рассматривать только уравнения равновесия.

Алгоритм решения подобных задач включает следующее:

3) Физическая связь. Записываются законы деформирования отдельных стержней системы.

Порядок расчета статически неопределимых брусьев

Задаться направлениями возможных опорных реакций и составить уравнение статики для всей системы в целом.
Определить степень статической неопределимости и использовать метод сечений с целью выразить неизвестные усилия через неизвестные опорные реакции. При этом неизвестные продольные силы (N) следует предполагать положительными и поэтому направлять «от сечения».
Сформулировать условие совместности деформаций участков бруса.
В процессе превращения условия совместности в уравнение совместности деформаций различий в характере деформаций участков не учитывать.

Порядок расчета статически неопределимых шарнирно-стержневых систем

Задаться направлениями опорных реакций, но уравнений равновесия для всей системы не составлять, а сразу использовать метод сечений и составить уравнения статики для выделенной части системы.
Определить степень статической неопределимости как разницу между количеством всех неизвестных, оказавшихся в уравнениях статики, и числом самих этих уравнений.
Рассмотреть (изобразить) любую возможную картину деформаций системы и из ее анализа сформулировать условия совместности деформаций стержней системы (столько, какова степень статической неопределимости).
В процессе преобразования условий совместности в уравнения совместности деформаций обязательно учитывать различие в характере деформаций стержней (т.е. вводить удлинение со знаком «плюс», а укорочение со знаком «минус») в соответствии с той картиной деформации, которую мы рассматриваем.

prosopromat.ru

Растяжение и сжатие. Усилия в поперечном сечении стержня.

Центральным растяжением или сжатием в сопромате называется такой вид деформации, при котором в поперечных сечениях стержня возникает только продольная сила N, а все остальные усилия равны нулю.

Продольная сила N - равнодействующая внутренних сил в поперечном сечении стержня. В сопротивлении материалов она определяется из условия равновесия отсеченной части, и численно равна сумме проекций на продольную ось стержня всех внешних сил, расположенных по одну сторону от сечения.

При растяжении продольная сила направлена от сечения и считается положительной. При сжатии она направлена к сечению и считается отрицательной.

Эпюра продольных сил - график величин этих усилий для всех поперечных сечений стержня.

Пример решения задачи по сопромату на растяжение - сжатие. Построить эпюру продольных сил для стержня, изображенного на рис. 4,а.

Решение. Проводим сечение 1-1 в пределах первого участка и отбрасываем правую часть стержня. К оставшейся левой части прикладываем неизвестную силу N1, предполагая ее положительной и направляя от сечения. Из уравнения равновесия отсеченной части получим N1-3P=0 => N1=3P

Проводя сечения 2-2, 3-3 и т.д. на остальных участках и составляя уравнения равновесия для отсеченных частей, определим продольные силы (рис.4,б).

2-ой участок N2 – P – 3P =0 N2=4P

3-й участок N3 +6P-P-3P=0 N3= -2P

4-й участок N4-4P+6P-P-3P=0 N4=2P

Для контроля определим N4 из рассмотрения правой части стержня.

2P – N4=0 N4=2P

По найденным значениям N на рис. 4, в построена эпюра продольных сил. Из эпюры следует, на участках 1,2 и 4 стержень растянут, а на участке 3 сжат. Так ведется решение задач на растяжение и сжатие в сопромате.

Напряжения и деформации. Растяжение и сжатие. Сопромат решение задач

При растяжении-сжатии стержня с постоянными поперечными размерами в любом поперечном сечении возникают нормальные напряжения, равномерно распределенные по сечению и равные

o = N/A

где N - продольная сила в сечении;

А -площадь поперечного сечения.

Эта формула справедлива только для поперечных сечений, отстоящих от места приложения нагрузки на расстоянии не меньшем поперечного размера стержня (принцип Сен-Венана).

Вблизи места приложения нагрузки напряжения распределяются

неравномерно.

В случае однородного стержня, растянутого или сжатого силами, приложенными на концах, напряжения остаются постоянными как по сечению, так и по длине, т.е. одинаковы для всех точек объема стержня

Такое напряженное состояние в сопромате называется однородным.

Продольную деформацию стержня характеризуют следующие величины (рис. 5).

Абсолютная продольная деформация (удлинение при растяжении и укорочении при сжатии) ^ l = l1-l

где 1 -первоначальная длина стержня;

l1 - конечная длина.

Относительная продольная деформация (относительное удлинение). e = ^ l / l

Поперечную деформацию стержня в сопротивление материаловхарактеризуют следующие величины:

Абсолютная поперечная деформация ^b = b – b1,

где b -первоначальный поперечный размер,

b1 - поперечный размер после деформации

Относительная поперечная деформация e 1 = ^b / b

При растяжении продольную деформацию можно считать положительной (е > 0), а поперечную отрицательной (е 1 < 0).

При сжатии, наоборот e < 0, е 1 > 0.

Абсолютная величина отношения e1 к е называется коэффициентом Пуассона,

M = [e1/e]

Коэффициент Пуассона M (мю) - величина безразмерная и его значение

для различных материалов колеблется в пределах от 0 до 0,5. Объемная деформация характеризуется относительным изменением объема

ev = ^V / V

где ^V - абсолютное изменение объема;

V - Первоначальный объем стержня.

Закон Гука о = e Е,

где Е - коэффициент пропорциональности, называемый модулем продольной упругости, который имеет размерность Па, кПа, мПа.

Закон Гука справедлив, пока напряжения не превосходят определенной для каждого материала величины, называемой пределом пропорциональности.

Абсолютное удлинение стержня постоянного сечения при постоянном по его длине значении продольной силы определяется по формуле: ^l = Nl / EA - закон Гука

где ЕА – жесткость сечения. Эта формула очень важна в курсе изучения сопротивления материалов вообще и в решении задач по сопромату в частности.

studfiles.net