Как найти нормальное напряжение в сечении

Как определить нормальное напряжение?

Автор: Константин Вавилов · Опубликовано 02.02.2016 · Обновлено 28.11.2017

Сегодня будем говорить о том, как определить нормальное напряжение при растяжении (сжатии). Долго говорить не придется, так как определяется оно элементарно.

Формула для нахождения нормального напряжения следующая:

То есть это отношение продольной силы (N) к площади поперечного сечения (A), на которой действует эта сила.

Пример определение нормальных напряжений

Посмотрим, как на практике пользоваться этой формулой. Например, возьмем брус с постоянным поперечным сечением, на который действует кучка внешних сил. Вас просят найти максимальное нормальное напряжение, возникающее в поперечных сечениях бруса.

Ваша тактика будет такой: Сначала нужно определить продольные силы и по-хорошему построить эпюру, чтобы видеть наиболее опасное сечение, то есть сечение, в котором внутренняя сила максимальная.

В нашем случае продольную силу берем равной трем килоньютонам и делим на площадь поперечного сечения:

Итого получили максимальное напряжение равное 15 мегапаскалям, что для стального бруса совсем пустяк.

Источник

iSopromat.ru

Подборка формул для расчета элементов и конструкций на растяжение-сжатие и решения задач сопротивления материалов по расчету нормальных напряжений, деформаций и перемещения сечений стержней при продольном нагружении.

Формула для расчета напряжений в поперечном сечении стержня

Расчет минимальной площади поперечного сечения бруса

Расчет допустимой величины внешней растягивающей/сжимающей силы (определение грузоподъемности)

Расчет перемещения сечений

Здесь: δ _i — перемещение рассматриваемого сечения,
δ _i-1 — перемещение предыдущего сечения,
Δ l_i — деформация участка между указанными сечениями.

Здесь α — угол отклонения сечения от поперечного.

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Источник

Нормальные напряжения. Формула Навье

Нормальные напряжения. Формула Навье

При изгибе происходит искривление оси балки. При этом часть сечения подвергается деформациям растяжения, другая часть – деформациям сжатия. Между этими частями находится нейтральный слой, продольные деформации в котором равны нулю. Таким образом, при изгибе нейтральный слой не изменяет своей длины.

– продольные волокна не давят друг на друга;

– напряжения и деформации распределяются равномерно по ширине сечения.

Абсолютное удлинение слоя, который находится на расстоянии $y$ от нейтрального слоя

$Delta dx = left( <rho + y>right) cdot dvarphi — rho cdot dvarphi = y cdot dvarphi $.

Относительное удлинение точек на расстоянии $y$ от нейтрального слоя

$varepsilon left( y right) = frac<rho >$ – закон Гука при изгибе.

$sigma = Evarepsilon = Efrac<rho >$.

Таким образом, продольные напряжения и деформации точек балки при изгибе прямо пропорциональны их расстоянию от нейтрального слоя.

При этом неизвестным остается положение нейтрального слоя. Для его определения воспользуемся тем фактом, что при изгибе в сечении не возникает продольной силы ($N = 0$).

$N = intlimits_A^<> sigma ,dA = intlimits_A^<> <rho >> ,dA = frac<rho >intlimits_A^<> y ,dA = frac <rho >cdot = 0$,

где $$ – статический момент площади сечения относительно оси $z$.

Как следствие, $ = 0$, то есть ось $z$ должно быть центральной, то есть нейтральный слой проходит через центральные оси сечений .

Запишем выражение изгибающего момента $$ в сечении в зависимости от напряжений $sigma $. На элементарной площадке $dA$ возникает усилие $dF = sigma dA$. Момент от этого усилия относительно оси $z$ (оси изгиба)

Интегрируем по площади сечения

где $ = intlimits_A <dA> $ – момент инерции сечения относительно оси изгиба.

$E,$ – жесткость сечения при изгибе.

Таким образом, нормальные напряжения при изгибе определяются как

Максимальные нормальные напряжения в сечении будут возникать в наиболее удаленных от оси изгиба точках сечения.

где $ = frac<<>><<>>>$ – момент сопротивления сечения относительно оси изгиба.

Источник

Формулы по сопромату

Приветствую, Вас на проекте — «СопроМат». Эта страничка будет навигатором по самым ходовым формулам сопромата, которые используются при расчетах на прочность, жесткость или устойчивость. Все формулы по сопромату классифицированы по виду деформации: растяжение или сжатие, кручение и изгиб.

Навигация по формулам:

Формулы по теме поперечный изгиб

В рамках этого раздела опубликованы основные формулы по теме «Поперечный изгиб». Также его часто называют простым или прямым изгибом.

Формулы для определения напряжений при поперечном изгибе

Формула для определения нормальных напряжений в точках поперечного сечения:

где M_x — изгибающий момент в поперечном сечении, I_x — момент инерции относительно центральной оси, y — расстояние от центральной оси до точки в которой вычисляется напряжение.

Формула для определения максимального (минимального) нормального напряжения в наиболее опасных точках поперечного сечения:

где M_x — изгибающий момент в поперечном сечении, W_x — момент сопротивления относительно центральной оси.

Формула для определения момента сопротивления поперечного сечения:

где I_x — момент инерции относительно центральной оси, y _{m ax} — расстояние до наиболее удаленных точек поперечного сечения.

Формула для определения касательных напряжений в точках поперечного сечения:

где Q _y — поперечная сила в рассматриваемом сечении, S отс — статический момент относительно центральной оси отсеченной части поперечного сечения, I_x — момент инерции относительно центральной оси, b — ширина поперечного сечения на высоте h, где рассчитываются касательные напряжения.

Формула для определения главных напряжений (максимальное и минимальное) при поперечном изгибе:

Источник

iSopromat.ru

Важнейшим критерием оценки прочности балок при изгибе являются напряжения.

Рассмотрим способы расчета напряжений при плоском поперечном изгибе балки

Расчет напряжений

Возникающий в поперечных сечениях при чистом прямом изгибе изгибающий момент M_x

представляет собой равнодействующий момент внутренних нормальных сил, распределенных по сечению и вызывающих нормальные напряжения в точках сечения.

Закон распределения нормальных напряжений по высоте сечения выражается формулой:

где:
M — изгибающий момент, действующий в рассматриваемом сечении относительно его нейтральной линии X;
I_x — осевой момент инерции поперечного сечения балки относительно нейтральной оси;
y – расстояние от нейтральной оси до точки, в которой определяется напряжение.

Нейтральная ось при изгибе проходит через центр тяжести поперечного сечения.

По вышеуказанной формуле, нормальные напряжения по высоте сечения изменяются по линейному закону.

Наибольшие значения имеют напряжения у верхнего и нижнего краев сечения.

Например, для симметричного относительно нейтральной оси сечения, где y₁=y₂=h/2:

Напряжения в крайних точках по вертикали (точки 1 и 2) равны по величине, но противоположны по знаку.

Для несимметричного сечения

напряжения определяются отдельно для нижней точки 1 и верхней точки 2:

где:

W_X — осевой момент сопротивления симметричного сечения;
W_X(1) и W_X(2) — осевые моменты сопротивления несимметричного сечения для нижних и верхних слоев балки.

Знаки нормальных напряжений при их расчете, рекомендуется определять по физическому смыслу в зависимости от того, растянуты или сжаты рассматриваемые слои балки.

Условия прочности при изгибе

Прочность по нормальным напряжениям

Условие прочности по нормальным напряжениям для балок из пластичного материала записывается в одной крайней точке.

В случае балки из хрупких материалов, которые, как известно, по-разному сопротивляются растяжению и сжатию – в двух крайних точках сечения.

Здесь:
M_max — максимальное значение изгибающего момента, определяемого по эпюре M_x;
[ σ], [ σ]_р, [ σ]_с — допустимые значения напряжений для материала балки (для хрупких материалов – на растяжение (р) и сжатие (с)).

Для балки из хрупкого материала обычно применяют сечения, несимметричные относительно нейтральной оси. При этом сечения располагают таким образом, чтобы наиболее удаленная точка сечения размещалась в зоне сжатия, так как [ σ]_с>[ σ]_р.

В таких случаях, проверку прочности следует обязательно проводить в двух сечениях: с наибольшим положительным изгибающим моментом и с наибольшим по абсолютной величине (модулю) отрицательным значением изгибающего момента.

При расчете элементов конструкций, работающих на изгиб, с использованием вышеуказанных условий прочности решаются три типа задач:

1. Проверка прочности
   
2. Подбор сечений
   
3. Определение максимально допустимой нагрузки
   

Прочность по касательным напряжениям

В случае прямого поперечного изгиба в сечениях балки, кроме нормальных напряжений σ от изгибающего момента, возникают касательные напряжения τ от поперечной силы Q.

Закон распределения касательных напряжений по высоте сечения выражается формулой Д.И. Журавского

где
S_{x отс} — статический момент относительно нейтральной оси отсеченной части площади поперечного сечения балки, расположенной выше или ниже точки, в которой определяются касательные напряжения;
b_y — ширина поперечного сечения балки на уровне рассматриваемой точки, в которой рассчитывается величина касательных напряжений τ.

Условие прочности по касательным напряжениям записывается для сечения с максимальным значением поперечной силы Q_max:

где [ τ] – допустимое значение касательных напряжений для материала балки.

Полная проверка прочности

Полную проверку прочности балки производят в следующей последовательности:

1. По максимальным нормальным напряжениям для сечения, в котором возникает наибольший по абсолютному значению изгибающий момент M.
2. По максимальным касательным напряжениям для сечения, в котором возникает наибольшая по абсолютному значению поперечная сила Q.
3. По главным напряжениям для сечения, в котором изгибающий момент и поперечная сила одновременно достигают значительных величин (или когда M_max и Q_max действуют в одном и том же сечении балки).

При анализе плоского напряженного состояния главные напряжения при изгибе, примут вид:

так как нормальные напряжения в поперечном направлении к оси балки принимаются равными нулю.

Проверка прочности осуществляется с помощью соответствующих гипотез прочности, например, гипотезы наибольших касательных напряжений:

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Источник

При
плоском поперечном изгибе в поперечных
сечениях балки возникают нормальные и
касательные напряжения, величина которых
зависит как от внутренних силовых
факторов, так и от формы и размеров
сечения.

Нормальное
напряжение в произвольно выбранной
точке поперечного сечения определяется
по формуле

(4.8)

где
M_x
— изгибающий момент в данном сечении;

—
момент инерции сечения относительно
нейтральной оси;
y
— расстояние
от нейтральной оси до точки, в которой
определяется напряжение (рис.4.58, а).

Рис.
4.58. К определению: а)
нормальных напряжений при изгибе,

б)
осевого момента сопротивления сечения
с одной осью симметрии 

Из формулы
(4.8) следует:

— величина
нормальных напряжений не зависит от
прочностных и деформационных свойств
материала, из которого изготовлена
балка;

— нормальные
напряжения, оставаясь постоянными по
ширине сечения, изменяются линейно по
его высоте, достигая экстремальных
значений в точках, наиболее удаленных
от нейтральной оси

(4.9)

Вводя
обозначение W_x
для геометрической характеристики
сечения, называемой осевым
моментом сопротивления,

,
(4.10)

формулу
(4.9) можно записать иначе

.
(4.11)

Если
сечение несимметрично относительно
нейтральной оси, вычисляются два значения
осевых моментов сопротивления путем
подстановки в формулу (4.10) значений
ординат для крайних растянутых и крайних
сжатых волокон, балки (рис.4.58,б):

;

. (4.12)

Напряжения
в крайних растянутых и сжатых волокнах
при этом различаются не только знаком,
но и численным значением :

.
(4.13)

Формулы
для определения геометрических
характеристик простых геометрических
фигур и прокатных профилей приведены
в разделе «Приложения».

Пример
4.12. Требуется
определить
максимальные нормальные напряжения в
балке прямоугольного сечения шириной
b=6см
и высотой h=12см,
если в поперечном сечении балки действует
изгибающий момент М,
равный 25 кНм.

Осевой момент сопротивления балки
прямоугольного сечения

.

Максимальные
нормальные напряжения действуют в
волокнах, наиболее удаленных от
нейтральной оси

Пример
4.13. Требуется
определить
нормальное напряжение в точке А
поперечного сечения балки (рис.4.59) и
величину максимальных нормальных
напряжений, если в поперечном сечении
балки действует изгибающий момент М,
равный 30 кНм.

Рис. 4.59. Поперечное
сечение балки

Осевой
момент инерции заданного сечения балки
относительно оси x
мо­жет быть представлен как разность
моментов инерции двух фигур: квадрата
12×12 см
и отверстия — квадрата 6×6 см
относительно этой же оси

Осевой момент
сопротивления балки прямоугольного
сечения

.

Нормальные
напряжения в точке А
определяются по формуле 4.8

Максимальные
нормальные напряжения

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

При выводе формулы для вычисления нормальных напряжений рассмотрим такой случай изгиба, когда внутренние силы в сечениях балки приводятся только к изгибающему моменту, а поперечная сила оказывается равной нулю. Этот случай изгиба носит название чистого изгиба. Рассмотрим средний участок балки, подвергающийся чистому изгибу.

В нагруженном состоянии балка прогибается так,что ее нижние волокна удлиняются,а верхние укорачиваются.

Поскольку часть волокон балки растягивается, а часть сжимается, причем переход от растяжения к сжатию происходит плавно, без скачков, в средней части балки находится слой, волокна которого только искривляются, но не испытывают ни растяжения, ни сжатия. Такой слой называют нейтральным слоем. Линия, по которой нейтральный слой пересекается с поперечным сечением балки, называется нейтральной линией или нейтральной осью сечения. Нейтральные линии нанизаны на ось балки. Нейтральная линия — это линия, в которой нормальные напряжения равны нулю.

Линии, проведенные на боковой поверхности балки перпендикулярно оси, остаются плоскими при изгибе. Эти опытные данные позволяют положить в основу выводов формул гипотезу плоских сечений (гипотеза Бернулли). Согласно этой гипотезе сечения балки плоские и перпендикулярные к ее оси до изгиба, остаются плоскими и оказываются перпендикулярными изогнутой оси балки при ее изгибе.

Допущения для вывода формул нормального напряжения: 1)   Выполняется гипотеза плоских сечений.   2)   Продольные волокна друг на друга не давят (гипотеза о ненадавливании) и, следовательно, каждое из волокон находится в состоянии одноосного растяжения или сжатия.  3)   Деформации волокон не зависят от их положения по ширине сечения. Следовательно, и нормальные напряжения, изменяясь по высоте сечения, остаются по ширине одинаковыми.   4)   Балка имеет хотя бы одну плоскость симметрии, и все внешние силы лежат в этой плоскости.   5)   Материал балки подчиняется закону Гука, причем модуль упругости при растяжении и сжатии одинаков.   6)   Соотношения между размерами балки таковы, что она работает в условиях плоского изгиба без коробления или скручивания.

Рассмотрим балку произвольного сечения, но имеющую ось симметрии.Изгибающий момент представляет собой результирующий момент внутренних нормальных сил, возникающих на бесконечно малых площадках и может быть выражен в интегральном виде:  (1), где y — плечо элементарной силы относительно оси х

Формула (1) выражает статическую сторону задачи об изгибе прямого бруса, но по ней по известному изгибающему моменту нельзя определить нормальные напряжения, пока не установлен закон их распределения. 

Выделим на среднем участке балки и рассмотрим участок  длиной dz, подвергающийся изгибу. Изобразим его в укрупненном масштабе.

Сечения, ограничивающие участок dz, параллельны друг другу до деформации, а после приложения нагрузки повернутся вокруг своих нейтральных линий на угол . Длина отрезка волокон нейтрального слоя при этом не изменится и будет равна:, где  -это радиус кривизны изогнутой оси балки. А вот любое другое волокно, лежащее ниже или выше нейтрального слоя, изменит свою длину. Вычислим относительное удлинение волокон, находящихся от нейтрального слоя на расстоянии у. Относительное удлинение — это отношение абсолютной деформации к первоначальной длине ,тогда:

 Сократим на и приведем подобные члены, тогда получим:(2) Эта  формула выражает геометрическую сторону задачи о чистом изгибе: деформации волокон прямо пропорциональны их расстояниям до нейтрального слоя. 

Теперь перейдем к напряжениям, т.е. будем рассматривать физическую сторону задачи. в соответствии с допущением о ненадавливании волокон используем закон Гука при осевом растяжении-сжатии:, тогда с учетом формулы (2) имеем (3),т.е.  нормальные напряжения при изгибе по высоте сечения распределяются по линейному закону. На крайних волокнах нормальные напряжения достигают максимального значения, а в центре тяжести сечения равны нулю. Подставим  (3) в уравнение (1) и вынесем за знак интеграла дробь  как постоянную величину, тогда имеем. Но выражение  — это осевой момент инерции сечения относительно оси х  — I_х. Его размерность см⁴, м⁴

Тогда ,откуда (4) ,где — это кривизна изогнутой оси балки, а — жесткость сечения балки при изгибе.

Подставим полученное выражение кривизны (4) в выражение (3) и получим формулу для вычисления нормальных напряжений в любой точке поперечного сечения: (5) 

Т.о. максимальные напряжения возникают в точках, наиболее удаленных от нейтральной линии. Отношение  (6) называют осевым моментом сопротивления сечения. Его размерность см³, м³. Момент сопротивления характеризует влияние формы и размеров поперечного сечения на величину напряжений.

Тогда максимальные напряжения:  (7)

Условие прочности при изгибе: (8)

При поперечном изгибе действуют не только нормальные, но и касательные напряжения,т.к. имеется поперечная сила. Касательные напряжения усложняют картину деформирования, они приводят к искривлению поперечных сечений балки, в результате чего нарушается гипотеза плоских сечений. Однако исследования показывают, что искажения, которые привносят касательные напряжения, незначительно влияют на нормальные напряжения,подсчитанные по формуле (5). Таким образом ,при определении нормальных напряжений в случае поперечного изгиба теория чистого изгиба вполне применима.

Нейтральная линия. Вопрос о положении нейтральной линии. 

При изгибе отсутствует продольная сила, поэтому можно записать Подставим сюда формулу нормальных напряжений (3) и получим Так как модуль продольной упругости материала балки не равняется нулю и изогнутая ось балки имеет конечный радиус кривизны, остается положить, что  этот интеграл представляет собой статический момент площади поперечного сечения балки относительно нейтральной линии-оси х , и, поскольку он равен нулю, то нейтральная линия проходит через центр тяжести сечения.

Условие  (отсутствие момента внутренних сил относительно силовой линии) даст или с учетом (3) . По тем же соображениям (см. выше) . В подынтегральном выражении — центробежный момент инерции сечения относительно осей х и у  равен нулю, значит, эти оси являются главными и центральными и составляют прямой угол. Следовательно, силовая и нейтральная линии пр  прямом изгибе взаимно перпендикулярны. 

Установив положение нейтральной линии, несложно построить эпюру нормальных напряжений по высоте сечения. Ее линейный характер определяется уравнением первой степени.