ЗАДАНИЕ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ №2




Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технический

Университет имени А. Н. Туполева - КАИ

О. Ю.Павлов

А.В.Смирнов

 

 

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

 

Задания и методические рекомендации

К контрольным работам

 

 

 

 

КАЗАНЬ - 2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технический

Университет имени А. Н. Туполева - КАИ

О. Ю.Павлов

А.В.Смирнов

 

 

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

 

Задания и методические рекомендации

К контрольным работам

 

 

 

 

КАЗАНЬ - 2015

УДК 620.1 (076.5)

ББК 34.44

П 12

Сопротивление материалов. Задания и методические рекомендации к контрольным работам.

Лениногорский филиал КНИТУ – КАИ, 2015 - 58 с.

Учебное пособие соответствует программе обучения студентов по учебной дисциплине «Сопротивление материалов», рекомендуется для использования при проведении практических занятий и выполнении контрольных работ по учебной дисциплине «Сопротивление материалов» для обучаемых по очной, заочной и очно-заочной форме обучения.

При выполнении контрольных работ, в соответствии с методическими рекомендациями, студенты должны приобрести практические навыки в расчете элементов конструкций техники на прочность и оформлении конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД.

В пособии представлены иллюстрации и формулы, дающиеся без вывода.

Авторы: кандидат технических наук, доцент Павлов О.Ю., кандидат психологических наук Смирнов А.В.

Иллюстраций - 15, таблиц – 6, библиографий - 2 (наимен.)

 

 

ЗАДАНИЕ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ №1

"Расчет на прочность статически определимой балки

 

1 СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ №1

1.1 Общая часть задания

Статически определимая балка в конструкциях подвергается деформации плоского поперечного изгиба под действием внешних нагрузок: сосредоточенной силы , равномерно распределенной по длине балки нагрузки интенсивностью , сосредоточенного изгибающего момента . Приложение нагрузок по длине балки характеризуется линейными величинами ℓ1, ℓ2, ℓ3 (рис. 1.1).

Необходимо подобрать стальную балку стандартного двутаврового сечения, удовлетворяющую требованиям работоспособности по критерию прочности в заданных условиях эксплуатации, а также построить эпюры нормальных и касательных напряжений по высоте опасных сечений.

Допускаемые касательные напряжения для сталей [τ] = 100МПа.

 

1.2 Индивидуальная часть задания

Индивидуальная часть задания для каждого студента определяется схемой приложения внешних нагрузок, численными значениями параметров задачи F, q, m0, ℓ1, ℓ2, ℓ3, маркой стали и значением коэффициента запаса прочности n.

Варианты схем нагружения балки приведены на рис. 1.1. Варианты численных значений параметров задачи и марки сталей приведены в табл.1.1.

Индивидуальное задание выбирается студентами из рис.1.1 и табл.1.1 по шифру, устанавливаемому преподавателем.

 

 

Таблица 1.1 – исходные данные задания

 

№№ вариан- тов Параметры задачи
А Б В
1 2 3 F,кН q,кН/м m0,кН·м марка стали n
              Ст.2 1,5
              Ст.3 1,6
              Ст.4 1,7
              Ст.5 1,8
              Ст.6 1,9
                2,0
                2,1
                2,2
                2,3
                2,4
                2,5
                1,5
              Ст.2 1,6
              Ст.3 1,7
              Ст.4 1,8
              Ст.5 1,9
              Ст.6 2,0
                2,1
                2,2
                2,3
                2,4
                2,5

 

Окончание таблицы 1.1

 

№№ вариан- тов Параметры задачи
А Б В
1 2 3 F, кН q, кН/м m0, кН·м марка стали n
                1,5
                1,6
              Ст.2 1,7
              Ст.3 1,8
              Ст.4 1,9
              Ст.5 2,0
              Ст.6 2,1
                2,2
                2,3
                2,4
                2,5
                1,5
                1,6
            -   1.7
          -   Ст.2 1,8
        -     Ст.3 1,9
            - Ст.4 2,0
          -   Ст.5 2,1

 

2 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ№1

Контрольная работа представляет собой совокупность расчетов, графических материалов и пояснений к ним. Результаты расчетно-графической работы оформляются в виде пояснительной записки.

Работа выполняется в следующей последовательности:

реальную балку заменяют расчетной схемой;

выбирают систему отсчета и определяют реакции связей в опорах (реакции в опорах);

выделяют участки балки, в пределах которых внешние нагрузки остаются на участке неизменными;

на каждом участке находят функции Ry (z) поперечных сил, функции Мх (z) изгибающих моментов и производят по ним расчет;

строят эпюры поперечных сил Ry (z) и изгибающих моментов Mx (z); устанавливают опасные сечения и значения Ry max, Mx max в этих cечениях;

по сортаменту (приложение 3) подбирают балку двутаврового сечения, удовлетворяющую требованиям прочности по нормальным напряжениям; проверяют балку на прочность по нормальным напряжениям и устанавливают процент ее недонапряжения (перенапряжения); проверяют двутавр на прочность по касательным напряжениям;

строят эпюры нормальных и касательных напряжений по высоте опасных сечений балки.

Расчетную схему балки, эпюры поперечных сил Ry(z) и изгибающих моментов Mx(z) необходимо представлять на одном листе пояснительной записки.

Получив и уяснив задание, каждый студент вначале производит необходимые расчеты и построение эпюр в личной тетради или на отдельных листах бумаги, полученные результаты предъявляет преподавателю для проверки и только после этого оформляет пояснительную записку в соответствии с предъявляемыми требованиями Государственного стандарта и методическими рекомендациями раздела 7.

Для удобства составления уравнений и производства расчетов по ним в черновом варианте рекомендуется иметь расчетную схему с исходными данными на отдельном листе.

 

3 ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ№1

 

ЗАДАНИЕ №1

На контрольную работу

студенту ______ учебной группы

____________________________________________________________

(фамилия, имя и отчество)

 

Тема работы "Расчет на прочность статически определимой балки ".

Целевая установка. Выбрать стальную балку стандартного двутаврового профиля (сечения), проверить ее на прочность и построить эпюры нормальных и касательных напряжений по высоте опасных сечений.

Исходные данные (вариант №_______).

Схема нагружения балки (рис. 1.1).

Сосредоточенная сила F = 60 кН.

Равномерно распределенная нагрузка интенсивности q = 25 кН/м.

Сосредоточенный момент m0 = 25 кН·м.

Линейные размеры: ℓ1 = 3м, ℓ2 = 4 м, ℓ3 = 2 м

Материал балки – сталь 45.

Коэффициент запаса прочности n = 1,5.

Допускаемые касательные напряжения [τ] = 100 МПа.

Допускаемые нормальные напряжения [σ] определяются в ходе выполнения работы.

Основные вопросы, подлежащие разработке

1. Построение эпюр поперечных сил и изгибающих моментов.

2. Выбор стальной балки стандартного двутаврового профиля.

3. Проверочный расчет балки на прочность по нормальным напряжениям.

4. Проверочный расчет балки на прочность по касательным напряжениям.

5. Построение эпюр нормальных и касательных напряжений в опасных сечениях балки.

Методические указания

1. Пояснительная записка должна включать: задание, содержание, введение, основной расчет, заключение, литературу.

2. Пояснительную записку оформить аккуратно в соответствии с методическими рекомендациями (см. раздел 7).

Рекомендуемая литература

1. Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Маслов Г.С. Прикладная механика. - М.: Высшая школа, 1990.

2. Павлов О.Ю., Смирнов А.В. Сопротивление материалов. Задания и методические рекомендации к контрольным работам. Лениногорск, 2015.

 

Дата выдачи..... Срок сдачи......

Руководитель....................

Задание получил "…."............20…г.

 

(подпись студента)

 

 

1 ПОСТРОЕНИЕ ЭПЮР ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ

И ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ.

 

1.1 Расчетная схема балки. Исходные данные.

Расчетная схема балки и выбранная система отсчета представлены на рис.1.1.

Исходные данные:

F = 60 кН;

q = 25 кН/м;

m0 = 25 кН·м;

1 = 3 м; ℓ2 = 4 м; ℓ3 = 2 м.

Сталь 45.

n = 1,5

[τ] = 100 МПа (Н/мм2)

 

 

Рис. 1.1 Расчетная схема балки

1.2 Определение реакций связей в опорах.

Для определения неизвестных внешних сил реакций связей в опорах воспользуемся уравнениями равновесия плоской системы сил:

∑ mА () = 0, ∑ mВ () = 0.

Для рассматриваемой системы сил уравнения равновесия имеют вид:

∑ mА () = 0 => Fℓ1 - qℓ2 (ℓ1 + ℓ2/2) + RВ y (ℓ1 + ℓ2) – m0 = 0; (1.1)

∑ mВ () = 0 => - RА y (ℓ1 + ℓ2) - Fℓ2 + qℓ2(ℓ2/2) – m0 = 0. (1.2)

Решая уравнения (1.1), (1.2), получим

 

1 ℓ2

RВ y = · [- Fℓ1 + qℓ2 (ℓ1 +) + m0],

1 + ℓ2 2.

1

RA y = · (- Fℓ2 + q · - - m0).

1 + ℓ2 2

 

В условиях задачи реакции связей принимают следующие значения:

 

RB y = · [ - 60 · 3 + 25 · 4 (3 + 2) + 25] = 49,3 кН,

3 + 4

RA y = · (- 60 · 4 + 25 · 8 - 25) = - 9,3 кН.

3 + 4

 

Поскольку реакция связи в опоре А имеет отрицательное значение, меняем направление силы RA y на схеме на противоположное ранее принятому.

Проверка правильности полученного решения производится с помощью уравнения равновесия сил

Σ K y = 0 => - RA y + F - qℓ2 + RB y = 0, (1.3)

- 9,3 + 60 - 25 · 4 + 49,3 = 0,

т.е. реакции связей в опорах определены верно. Для дальнейших расчетов с учетом направления принимаем RA y = 9,3 кН; RB y = 49,3 кН.

 

1.3 Определение функций поперечных сил Ry (z) и изгибающих

моментов Mх(z) и вычисление их значений.

Для определения функций Ry(z) и Mx(z) выделим по длине балки участки (рис.1.1.), границами которых являются точки приложения внешних нагрузок:

участок 1 0 ≤ z ≤ ℓ1 = 3 м;

участок 2 ℓ1 = 3 м ≤ z ≤ (ℓ1 + ℓ2) = 7 м;

участок 3 (ℓ1 + ℓ2) = 7 м ≤ z ≤ (ℓ1 + ℓ2 + ℓ3) = 9 м.

По методу сечений находим выражения функций поперечных сил Ry(z) м и изгибающих моментов Mx(z) и производим их вычисление для каждого участка балки.

Для решения этой задачи воспользуемся следующими правилами:

а) поперечная сила в сечении балки Ry равна алгебраической сумме проекций внешних сил на ось y левее или правее сечения, т.е.

;

б) изгибающий момент в сечении балки равен сумме моментов проекций внешних сил на ось y относительно оси х, проходящий через центр масс сечения, т.е.

В данном примере учитываем внешние нагрузки левее сечения.

Для построения эпюр функций Ry(z) и Mx(z) необходимо вычислить их значения в некоторых точках участков балки. На участках, где указанные функции линейные, достаточно вычислить их значения в начале и конце участка. Если функции нелинейные, необходимо дополнительно вычислить их значения в 3-4-х точках внутри участка.

Участок 1. Ry = - RAy = - 9,3 кН - прямая параллельная оси OZ.

Мх = - RAy z - наклонная прямая.

z = 0 Mx = 0; z = ℓ1 = 3м Мх = - 9,3 · 3 = - 27,9 кН·м

 

Участок 2. Ry = - RAy + F – q(z - ℓ1) – наклонная прямая

z = ℓ1 = 3 м, Ry = - 9,3 + 60 = 50,7 кН;

z = ℓ1 + ℓ2 = 7 м, Ry = - 9,3 + 60 – 25 (7-3) = - 49,3 кН

Мх = - RAyz + F(z - ℓ1) – q(z - ℓ1)() - парабола.

Вычисление произведем в пяти точках z = 3; 4; 5; 6 и 7 м.

z = 3 м, Мх = - 9,3 · 3 = - 27,9 кН · м;

z = 4 м, Мх = - 9,3 · 4 + 60 (4 - 3) – 25 (4 – 3)() = 10,3 кН·м;

z = 5 м, Мх = - 9,3 · 5 + 60 (5 – 3) – 25 (5 – 3)() = 23,5 кН·м;

z = 6 м, Мх = - 9,3 · 6 + 60 (6 – 3) – 25 (6 – 3) () = 11,7 кН·м;

z = 7 м, Мх = - 9,3 · 7 + 60 (7 – 3) – 25 (7 – 3)() = - 25 кН·м.

Экстремальное значение функции Мх (z) на втором участке определяется по формуле Журавского .

Находим координату точки z, в которой поперечная сила Ry = 0:

Ry = - RAy + F – q (z - ℓ1) = 0;

- 9,3 + 60 – 25 (z – 3) = 0, отсюда z = 5 м.

Тогда при z = 5 м Мх = 23,5 кН·м.

 

Участок 3. Ry = - RAy + F - qℓ2 + RBy = - 9,3 + 60 – 25 · 4 + 49,3 = 0,

т.е. на этом участке при z = 7 и z = 9 м сила Ry = 0.

Мх = - RAyz + F(z - ℓ1) - qℓ2(z - ℓ1 - ) + RBy(z - ℓ1 - ℓ2) – зависимость линейная.

 

При z = 7 м,

Мх = - 9,3·7 + 60 (7 – 3) - 25·4 (7 – 3 - ) + 49,3 (7-3-4) = - 25 кН·м

При z = 9 м,

Мх = - 9,3·9 + 60 (9 – 3) – 25 · 4 (9 – 3 - ) + 49,3(9 – 3 – 4) = - 25 кН·м.

На участке 3 действует только изгибающий момент Мх = - 25 кН·м, равный по величине и обратный по направлению внешнему сосредоточенному моменту m0 = 25 кН·м. Графически функция Мх (z) на этом участке представляется в виде прямой, параллельной оси z.

Результаты вычисления значений функций Ry (z) и Mx(z) для построения эпюр приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – результаты вычислений

 

Номера участков Значения координаты z, м Ry, кН Мх, кН · м
    - 9,3 - 9,3 - 27,9
    50,7     - 49,3 - 27,9 10,3 23,5 11,7 - 25
      - 25 - 25

 

В условиях рассматриваемой задачи эпюры поперечных сил Ry(z) и изгибающих моментов Мх(z) изображены на рис. 1.2..

Из рис. (3.2) следует, что в опасном сечении Ry max = 50,7 кН,

Мх max = 27,9 кН·м.

Рис.2.1 Эпюры поперечных сил Ry (Z) и изгибающих моментов Mx (Z)

2 ВЫБОР СТАЛЬНОЙ БАЛКИ СТАНДАРТНОГО

ДВУТАВРОВОГО ПРОФИЛЯ

Стандартная балка двутаврового профиля выбирается по моменту сопротивления сечения Wx..

Условие прочности балки по нормальным напряжениям имеет вид:

σmax = ≤ [σ]. (2.1)

Из неравенства (2.1) следует, что момент сопротивления поперечного сечения Wx должен удовлетворять условию

Wx, (2.2)

где [σ] – допускаемые нормальные напряжения.

[σ] = , где - предел текучести.

Для стали 45 (приложение 1) = 300 МПа (Н/мм2).

Коэффициент запаса прочности по заданию n = 1,5.

Тогда [σ] = = 200 МПа (Н/мм2).

В решаемой задаче Wx = = 14 · 104 мм3 = 140 см3 .

По полученному значению входим в таблицу сортамента (приложение 3) и устанавливаем, что предъявляемым требованиям удовлетворяет стальная двутавровая балка с номером профиля 18, имеющая следующие параметры (рис.2.2):

высота h = 180 мм; ширина b = 90 мм;

наименьшая толщина сечения d = 5,1 мм;

толщина полочки t = 8,1 мм;

осевой момент = 1290 см4;

статический момент площади сечения

Sx = 81,4 см4;

момент сопротивления сечения

Wx=143 см3.

 

Схема балки 2.2.

 

Рис 2.2 Схема балки

3 ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ БАЛКИ НА ПРОЧНОСТЬ

ПО НОРМАЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЯМ

Максимальное нормальное напряжение для выбранного двутавра рассчитывается по формуле:

= 195 МПа.

Условие прочности балки по нормальным напряжениям выполняется, т.к. σmax = 195 < [σ] = 200 МПа (Н/мм2).

Процент недонапряжения (перенапряжения) балки рассчитывается по формуле

[σ]- σmax

· 100% ≤ 5% (3.1)

[σ]

В решаемой задаче недонапряжение балки

· 100% = 2,5 %.

 

4 ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ БАЛКИ НА ПРОЧНОСТЬ

ПО КАСАТЕЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЯМ

Условие прочности по касательным напряжениям.

Ry max Sx

τ max = ≤ [τ], (4.1)

Јx· d

 

τ max = = 62,7 МПа < 100 МПа (Н/мм2),

т.е. двутавр удовлетворяет условию прочности по касательным напряжениям.

 

5 ПОСТРОЕНИЕ ЭТЮР НОРМАЛЬНЫХ И КАСАТЕЛЬНЫХ

НАПРЯЖЕНИЙ В ОПАСНЫХ СЕЧЕНИЯХ БАЛКИ

 

Нормальные и касательные напряжения в сечениях балки определяются по формулам

Мх max

σ = y; (5.1)

Јх

 

Ry max Sx отс

τ =. (5.2)

Јx δ

 

Функция (5.1) – линейная:

при y = 0, σ = 0;

при ymax = , σ = σmax = 195 МПа.

Эпюра нормальных напряжений представлена на рис. 5.1.

Для построения эпюры касательных напряжений можно ограничиться вычислением значений функции (5.2) на уровнях 1-1, 2-2, 3-3 поперечного сечения балки (рис.5.1).

На уровне 1-1 в формуле (3.9) величины Sx отс = Sx = 81,4 см3; δ = d =5,1 мм, касательные напряжения

τ = τmax = = 62,7 МПа (Н/мм2)

На уровне 2-2 выделим точку 2с, находящуюся на стыке стенки и полки профиля, и точку 2п, находящуюся на краю полки. На уровне 2с величины Sx отс = = 90·8,1(90 – 4,05) = 62,6·103 мм3; δ = d = 5,1 мм;

касательные напряжения τ = = 48,2 МПа(Н/мм2).

На уровне 2п Sx отс = bt = 62,6·103 мм3;

δ = b = 90 мм; касательные напряжения

τ = = 2,7 МПа.

На уровне 3-3 величина Sx отс = 0, следовательно τ = 0.

Эпюра касательных напряжений представлена на рис. 5.1.

 

ЗАДАНИЕ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ №2

"Расчет на прочность вала"

4 СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ №2

4.1 Общая часть задания

При вращении выходного вала механизма наведения артиллерийского орудия или РСЗО с укрепленным на нем прямозубым зубчатым колесом на вал действуют внешние нагрузки: вращающий момент , равный моменту сил полезного сопротивления на конце вала ( = - ); окружная и радиальная силы. Приложенные нагрузки по длине вала характеризуются линейными величинами ℓ1, ℓ2, ℓ3 (рис.4.1). Под действием этих нагрузок вал находится в сложном напряженном состоянии, т.е. испытывает изгиб с кручением.

Необходимо из условия кручения определить диаметр вала и произвести его проверку на статическую и усталостную прочность.

Схема нагружения вала, единая для всех вариантов задания, приведена на рис. 4.1.

 

Рис.4.1 Схема нагружения вала

Материал вала сталь 45. Допускаемое касательное напряжение при кручении [τ] = 25 МПа (Н/мм2).

 

4.2 Индивидуальная часть задания

Индивидуальная часть задания для каждого студента определяется схемой приложения внешних нагрузок и численными значениями М1, Ft, Fr, ℓ1, ℓ2, ℓ3, приведенными в таблице 4.1.

При выдаче задания преподавателем используются различные сочетания силовых параметров и геометрических размеров. Индивидуальное задание выбирается студентами из табл.4.1. по шифру, установленному преподавателем. Например, вариант 0128 означает, что первые две цифры – это силовые параметры из первой строки таблицы (М1=15 Н ·м, Ft= 300 Н, Fr = 100Н); вторые две цифры – это геометрические размеры из строки 28 таблицы (ℓ1=150 мм, ℓ2 =200 мм, ℓ3 = 50 мм).

Необходимые для расчета коэффициенты (запаса прочности и другие) выбираются самостоятельно в соответствии с рекомендациями справочной литературы.

 

Таблица 4.1 - варианты численных значений параметров задачи

 

 

№ вариан- тов Параметры задачи
М1,Н·м Ft,H Fr, H 1, мм 2,мм 3, мм
             

 

Продолжение таблицы 4.1.

№ вариан- тов Параметры задачи
М1, Н·м Ft, H Fr, H 1, мм 2, мм 3, мм
             

5 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Контрольная работа представляет собой совокупность расчетов, графических материалов и пояснений к ним. Результаты контрольной работы оформляются в виде пояснительной записки, включающей задание, содержание, введение, основной расчет, заключение, литературу и оформленной в соответствии с требованиями Государственного стандарта и методическими рекомендациями раздела 7.

Следует иметь ввиду, что окружная Ft и радиальная Fr силы действуют на вал в разных плоскостях симметрии принятой системы отсчета ХYZ:

сила Ft – в горизонтальной плоскости XYZ; сила Fr – в вертикальной плоскости YOZ.

Работа выполняется в следующей последовательности:

реальный вал заменяют расчетной схемой с приложенными внешними нагрузками;

выбирают систему отсчета XYZ и определяют реакции связей в опорах;

выделяют участки по длине вала по границам приложения внешних нагрузок;

пренебрегая поперечными силами и находят функции изгибающих моментов , , крутящего момента и производят их вычисление;

строят эпюры изгибающих моментов , и крутящих (z) моментов, по ним определяют опасное сечение и максимальные значения , , ;

определяют диаметр вала из условия его работы только на кручение;

рассчитывают суммарный изгибающий момент и эквивалентный момент ;

производят проверочный расчет вала на статическую и усталостную прочность.

Расчетную схему вала, эпюры , , необходимо представлять на одном листе пояснительной записки.

Получив и уяснив задание, каждый студент вначале производит необходимые расчеты и построение эпюр в личной тетради или на отдельных листах бумаги, полученные результаты предъявляет преподавателю для проверки и только после этого оформляет пояснительную записку.

Для удобства составления уравнений и производства расчетов по ним в черновом варианте рекомендуется иметь расчетную схему с исходными данными на отдельном листе.

 

6. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ№2.

ЗАДАНИЕ



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: