Понятие о сложном деформированном состоянии

Тема 2.7. Сочетание основных деформаций. Гипотезы прочности

Иметь представление о напряженном состоянии в точке упругого тела, о теории предельных напряженных состояний, об эквивалентном напряженном состоянии, о гипотезах прочности.

Знать формулы для эквивалентных напряжений по гипотезам наибольших касательных напряжений и энергии формоизменения.

Напряженное состояние в точке

Напряженное состояние в точке характеризуется нормальны­ми и касательными напряжениями, возникающими на всех площад­ках (сечениях), проходящих через данную точку. Обычно достаточ­но определить напряжения на трех взаимно перпендикулярных пло­щадках, проходящих через рассматриваемую точку. Точку принято изображать в виде маленького элемента в форме параллелепипеда (рис. 34.1).

Положения теории напряженного состояния:

1. Напряженное состояние в данной точке полностью определе­но, если известны напряжения по любым трем взаимно перпендику­лярным площадкам.

2. Среди множества площадок, которые можно провести через данную точку, есть три такие взаимно перпендикулярные площадки, на которых отсутствуют касательные напряжения, эти площадки называются главными, а нормальные напряжения, возникающие на них, называются главными напряжениями: σ1; σ2; σ 3 (рис. 34.1).

Одно из этих напряжений — максимально, одно — минимально. Максимальное обозначают σ 1, минимальное — σ 3.

Классификация видов напряженного состояния производится по главным напряжениям:

— если все три главных напряжения не равны нулю, то напря­женное состояние называют объемным (трехосным) (рис. 34.1а);

— если одно из главных напряжений равно нулю, напряженное состояние называют плоским (двухосным) (рис. 34.1б);

— если два из главных напряжений (σ 2= 0) противоположны

по знаку, напряженное состояние называют упрощенным плоским состоянием;

— если лишь одно из главных напряжений не равно нулю, на­пряженное состояние линейное (рис. 34.1в).

Понятие о сложном деформированном состоянии

Совокупность деформаций, возникающих по различным напра­влениям и в различных плоскостях, проходящих через точку, опре­деляют деформированное состояние в этой точке.

Сложное деформированное состояние возникает, если деталь од­новременно подвергается нескольким простейшим нагружениям.

Такие состояния возникают в заклепочных соединениях (срез и смятие), в болтовых соединениях (растяжение и скручивание), при поперечном изгибе бруса (изгиб и сдвиг).

Часто одним из нагружений (незначительным) пренебрегают.

Например, длинные балки рассчитывают только на изгиб.

В ряде случаев нормальные и касательные напряжения, возни­кающие в детали, имеют одинаковый порядок и ими нельзя прене­брегать. Тогда расчет проводят при сложном деформированном со­стоянии.

Сложность расчета заключается в отсутствии эксперименталь­ных данных о предельных напряжениях, т. к. провести испытания из-за множества вариантов нагружения практически невозможно.

Для упрощения расчетов в этом случае применяют теории прочности. Смысл теорий заключается в замене реального слож­ного деформированного состояния равноопасным простым.

Опасное состояние может быть вызвано различными фактора­ми: нормальные напряжения могут достигнуть предела текучести

Лекция 34

или предела прочности, касательные напряжения могут достигнуть опасного значения или накопленная энергия деформирования может стать слишком большой и вызвать разрушение.

Универсального критерия, позволяющего рассчитать предель­ное состояние для любого материала, нет. Разработано несколько различных гипотез предельных состояний, при расчетах использу­ют наиболее подходящую гипотезу. Расчеты по гипотезам прочности позволяют избегать дорогостоящих испытаний конструкции.

В настоящее время для расчета валов при совместном действии изгиба и кручения используют только третью и пятую теории проч­ности.

Сравнение разнотипных состояний производится с помо­щью эквивалентного {простого) напряженного состояния. Обычно сложное напряженное состояние заменяют простым растяжени­ем (рис. 34.2).

Расчетное напряжение, соответствующее выбранному од­ноосному растяжению, называют эквивалентным напряжением (рис. 34.26).

Полученное расчетным путем эквивалентное напряжение для точки сравнивают с предельным (рис. 34.2в).

Напряженное состояние в точке равноопасно эквивалентному напряженному состоянию. Условие прочности получим, сопоста­вив эквивалентное напряжение с предельным, полученным экспе­риментально для выбранного материала:

где [s] — допускаемый запас прочности.

Как известно, предельным напряжением для пластичных мате­риалов является предел текучести σ_т, а для хрупкого — предел проч­ности σ_в. Предельное напряженное состояние у пластичных материалов

Тема 2.7. Сочетание основных деформаций

наступает в результате пластических деформаций, а у хруп­ких — в результате разрушения.

Для пластичных материалов расчет может выполняться по ги­потезе максимальных касательных напряжений: два напряженных состояния равноопасны, если максимальные касательные напря­жения у них одинаковы (третья теория прочности).

Расчет можно проводить и по теории потенциальной энергии формоизменения: два напряженных состояния равноопасны, если энергия формоизменения у них одинакова (пятая теорема прочно­сти).

Для хрупких и хрупко-пластичных материалов применяют тео­рию прочности Мора.

Расчет эквивалентного напряжения для точки по теории макси­мальных касательных напряжений выполняется по формуле

а по теории энергии формоизменения по формуле

где σ — действующее в точке нормальное напряжение; τ — действу­ющее в точке касательное напряжение.