Сопротивление материалов курс лекций

Внутренние силы. Метод сечений

Под действием внешних сил тело деформируется, меняется взаимное расположение элементарных частиц тела, в результате в нем возникают внутренние (упругие) силы, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние. Для нахождения внутренних сил используют метод сечений, суть которого состоит в следующем. Тело мысленно рассекается на две части плоскостью, затем одна из частей отбрасывается, а ее действие на оставшуюся часть заменяется внутренними силами. По сво-

ей природе эти силы представляют собой взаимодействие частиц тела, которое обеспечивает его целостность.

Внутренние силы непрерывно распределены по всему сечению и в общем случае приводятся к главному вектору R, т.е. равнодействующей этих сил, приложенной в центре тяжести сечения, и главному моменту M (рис. 1.4).

Для стержня удобно использовать в качестве секущей плоскость, нормальную к его оси.

Выберем систему координат с началом отсчета в центре тяжести сечения, ось z направим вдоль оси стержня. Проекции главного вектора на оси координат N, Qx, Qy и составляющие главного момента

Мк, Mx, My называют внутренними силовыми факторами (рис. 1.5).

N – нормальная (продольная) сила – проекция главного вектора на ось стержня;

Qx, Qy – поперечные силы, лежащие в плоскости сечения и направленные вдоль соответствующих осей;

Мк (Мz) – крутящий момент;

Mx, My – изгибающие моменты относительно осей x и y.

11

Рис. 1.5.

Величина внутренних силовых факторов находится из условий равновесия отсеченной части тела:

∑Fx =0; ∑Fy =0; ∑Fz =0; ∑mx =0; ∑my =0; ∑mz =0.

Три первых уравнения дают выражения для нормальной и поперечных сил, оставшиеся – выражения для крутящего и изгибающих моментов. Очевидно, что каждый из внутренних силовых факторов равен алгебраической сумме внешних силовых факторов, действующих на отсеченную часть тела.

В основе классификации видов нагружения лежит появление в поперечных сечениях тех или иных внутренних силовых факторов. К простым видам нагружения относят такие, при которых в поперечных сечениях стержня возникает только один силовой фактор.

Растяжение (сжатие) –

в поперечных сечениях возникает только нормальная сила N, остальные внутренние усилия обращаются в нуль.

12

Кручение – в поперечных сечениях действует только крутящий момент Мк, остальные факторы отсутствуют; стержень, работающий на кручение, называют валом.

Чистый изгиб – в поперечных сечениях действует только один из изгибающих моментов Mx или My; стержень, подвергаемый изгибу, называют балкой.

К простым видам нагружения условно относят также поперечный изгиб – случай изгиба, при котором в поперечных сечениях балки наряду с изгибающим моментом (Mx или My) появляется поперечная сила (Qy

или Qx).

К сложным видам нагружения относят различные комбинации простых видов (сложное сопротивление).

Понятие о напряжениях в точке тела

Считая тело сплошным, можно представить внутренние силы непрерывно распределенными по сечению. Выделим в сечении произ-

вольную точку K, а в ее окрестности –

малую площадку ∆A. Равнодействующую внутренних сил на выделенной

13

стремлении последней к нулю дает нам интенсивность внутренних сил в данной точке сечения:

lim ∆R = p,

∆A→0 ∆A

которую называют полным напряжением в точке на данной площадке и измеряют в единицах силы, отнесенным к единицам площади, – паскалях (1 Н/м2 = 1 Па) или мегапаскалях (1 МПа = 1·106 Па).

Для оценки прочности удобнее использовать не вектор полного напряжения p, а его проекции на оси координат.

Проекция на ось z, нормальная к сечению, обозначается греческой буквой «сигма» с индексом оси, которой она параллельна – σz, и называется нормальным напряжением. Проекции полного напряжения в точке на оси x и y обозначаются греческой буквой «тау» с соответствующими индексами – τzx,τzy и называются касательными напряжениями. По теореме Пифагора длина вектора полного напряжения определяется через его проекции:

р2 =σ2z +τ2zx +τ2zy .

Совокупность напряжений, действующих на всевозможных площадках, проходящих через данную точку, образует напряжен-

ное состояние в точке тела.

Связь между напряжениями в точке сечения и действующими в этом сечении внутренними силовыми факторами можно найти интегрированием по всей площади сечения A действующих на бесконечно малой площадке dA элементарных сил σzdA, τzxdA, τzydA, а также моментов этих сил относительно осей координат:

N =∫σz dA; Qx =∫τzx dA; Qу =∫τzy dA;

A A A

14

Приведенные зависимости позволяют определить равнодействующие внутренних сил, если известен закон распределения напряжений по сечению. Однако в большинстве случаев стоит обратная задача – нахождение напряжений по известным внутренним силовым факторам, которую нельзя решить с помощью только этих уравнений, так как одному и тому же значению внутреннего усилия в левых частях уравнений могут соответствовать различные законы распределения напряжений по сечению. Для нахождения напряжений необходимо рассматривать вместе с условиями равновесия и условия деформации тела.

Понятие о деформациях

Деформацией называют как сам процесс изменения размеров и форм тел при нагружении, так и количественную меру таких изменений. Если деформации возникают сразу и полностью после приложения нагрузки, а после ее снятия сразу же и полностью исчезают, их называют упругими. Если деформации после снятия нагрузки сохраняются, их называют пластическими, или остаточными. В основном в сопротивлении материалов исследуются упругие деформации.

Для количественного описания деформирования вводят понятия линейной и угловой деформации в точке тела. Выберем в сечении ненагруженного тела произвольную точку A и проведем из нее под прямым углом друг к другу два коротких отрезка AB и AC (рис. 1.7, а).

Рис. 1.7.

15

После нагружения тело деформируется и точки изменят свое положение: точка A переместится в положение А1, точка В – в положение В1 и т.д., при этом изменятся как длины отрезков, так и их положение (рис. 1.7, б). Пусть s – длина отрезка АВ до нагружения, а s + ∆s – после нагружения. Линейной деформацией в точке А в направлении АВ называют предел отношения

∆s

lim s =εAB .

s→0

Проводя последовательно отрезки, параллельные каждой из координатных осей, получим три линейных деформации εx, εy, εz.

Первоначально прямые углы между выбранными отрезками после нагружения изменяются. Предел изменения

lim ( BAC −B1 A1C1 )=γBAC

AB→0

AC→0

называют угловой деформацией в точке А в плоскости ВАС, или углом сдвига. Рассматривая последовательно каждую из координатных плоскостей, получим угловые деформации γxy, γyz, γzx.

Совокупность линейных и угловых деформаций в данной точке по всем направлениям образует деформированное состояние в точке тела.

16

Лекция 2

РАСТЯЖЕНИЕ И СЖАТИЕ

Нормальные силы и их эпюры

Растяжение (сжатие) – вид нагружения, при котором в поперечных сечениях стержня появляются только нормальные силы, а остальные силовые факторы равны нулю. При этом положительная нормальная сила направлена в сторону внешней нормали к сечению, т.е. вызывает растяжение, а отрицательная – сжатие. Внешние силы в этом случае приводятся к равнодействующей, направленной вдоль оси стержня.

Формально растяжение от сжатия отличается только знаком нормальной силы. Ниже будет показано, что это не всегда справедливо. В частности, при растяжении и сжатии могут сильно различаться механизмы разрушения. Кроме того, при сжатии длинных гибких стержней возникает опасность их изгиба, что значительно усложняет методы расчета*.

а

б

Рис. 2.1.

* Данный вопрос будет рассмотрен во второй части курса лекций «Сопротивление материалов» (лекция «Устойчивость сжатых стержней»).

17

Для нахождения нормальных сил применяется метод сечений – стержень мысленно рассекается плоскостью, перпендикулярной его оси, на две части (рис. 2.1, а). Взаимодействие частей стержня заменяется силой N (рис. 2.1, б), величина которой определяется из условия равновесия какой-либо из частей:

N = F

(N > 0 – растяжение).

Отметим, что в тех случаях, когда направление силы N заранее неизвестно, ее рекомендуется направлять в положительную сторону. Если при этом из решения уравнения равновесия сила получится положительной, это будет соответствовать чертежу, т.е. стержень окажется растянут, а при отрицательной силе – сжат.

Действующие на стержень внешние силы могут быть как сосредоточенными, так и распределенными. Примером распределенной продольной нагрузки может служить собственный вес массивного, вертикально расположенного стержня (колонны), представленного на рис. 2.2. Интенсивность распределенной нагрузки в этом случае можно

найти как произведение удельного веса материала γ на площадь поперечного сечения A(z):

q (z)=γ.A(z).

Между интенсивностью распределенной нагрузки и нормальной силой в сечении существует дифференциальная зависимость, которую находят из рассмотрения равновесия выделенного из стержня элемента длиной dz (рис. 2.3).

Интенсивность нагрузки в пределах элемента ввиду его малости можно считать постоянной:

q(z) = q = const.

18

Рис. 2.3.

Тогда, проектируя силы на ось z, получим

ΣFz = 0: –N – qdz + N + dN = 0.

Отсюда

q = dN/dz.

Интегрируя, находим выражение для нормальной силы

N = N(0) + ∫z q(z)dz .

0

Здесь N(0) – постоянная интегрирования – значение нормальной силы в начале участка (z = 0).

В случае одновременного действия на стержень нескольких нагрузок для наглядности строят эпюру нормальной силы, т.е. график ее изменения вдоль оси стержня.

Пример 2.1. Построение эпюры нормальной силы.

Решение. Стержень разбивается на силовые участки, границами которых служат сечения, где приложены сосредоточенные нагрузки либо начинается или заканчивается действие распределенных нагрузок. В нашем примере стержень имеет три таких участка. Для нахождения нормальной силы на каждом из участков поочередно мысленно проводится сечение, рассекающее стержень на две части. Записывая условия равновесия для показанных на рис. 2.4 отсеченных частей стержня, получаем выражения для нормальной силы на каждом из выделенных участков:

19

III. 3l ≤z ≤5l

2ql −F −2q(z−3l)+N =0;

N =−5ql +2qz .

На основе этих уравнений строим эпюру N(z).

Напряжения и деформации при растяжении и сжатии. Закон Гука

В соответствии с принципом Сен-Венана можно считать, что на некотором удалении от места приложения нагрузки способ нагружения роли не играет, и нормальная сила определяется только равнодействующей нагрузки (рис. 2.5). Для большей части растянутого стержня справедлива гипотеза плоских сечений, согласно которой

20