Ścinanie sworzni – wytrzymałość – zadanie 34

Witam wszystkich i dzisiaj będzie zadanie ze ścinania sworzni. Na obrazku widzimy połączenie sworzniowe i dana jest siła rozciągająca F szerokość blachy s, dopuszczalne naprężenia ścinające dla sworznia kt, dopuszczalne naprężenia rozciągające dla blachy kr.
scinanie5 - Ścinanie sworzni - wytrzymałość - zadanie 34
Autor zadaje pytanie:

OBLICZ WYMAGANĄ ŚREDNICĘ d SWORZNIA I GRUBOŚĆ g BLACHY
Jeżeli jest podane dopuszczalne naprężenie ścinające kt dla sworznia i rozciągające kr dla blachy, to wynika że trzeba ułożyć DWA warunki wytrzymałościowe:
na ścinanie dla sworznia z którego obliczymy minimalną wymaganą średnicę
na rozciąganie dla blachy z którego obliczymy wymaganą grubość

No to zaczynamy:

Warunek wytrzymałościowy na ścinanie dla sworznia:
F / (2*π*d² / 4 ) < kt
W mianowniku wystąpiło 2 razy pole koła o średnicy d (czyli π* d² / 4), ponieważ mamy 2 powierzchnie ścinane sworznia (tak jak widać na poniższym rysunku, sworzeń zostanie ścięty na 2 powierzchniach).

scinanie4 - Ścinanie sworzni - wytrzymałość - zadanie 34
4*F / (2*π* d² ) < kt
0,64*F / ( d² ) < kt
0,64*F = d² * kt
Po przekształceniu otrzymujemy minimalną średnicę sworznia:
d = √(0,64*F / kt)

Warunek wytrzymałościowy na rozciąganie dla blachy:
F : ( g * (s-d) ) < kr
W mianowniku występuje iloczyn grubości blachy g oraz długości s-d i jest to SZEROKOŚĆ BLACHY pomniejszona o ŚREDNICĘ SWORZNIA – obrazowo są to dwie zakreskowane powierzchnie na poniższym obrazku.
scinanie6 - Ścinanie sworzni - wytrzymałość - zadanie 34
F < g * (s-d) * kr
Z tego wynika wymagana grubość blachy:
g = F / [ (s-d) * kr ]

Wytrzymałość – trójkierunkowy stan naprężenia – zadanie 32

Witam ponownie i dzisiaj zrobimy zadanie z trójkierunkowego stanu naprężenia:

Mamy walec o średnicy D i wysokości 2*D i na ten walec od góry naciska siła F. Dany jest modul Younga E, stala Poissona dla materialu walca.

rozciaganie20 - Wytrzymałość - trójkierunkowy stan naprężenia - zadanie 32

Autor zadaje pytanie:

OBLICZ ZMIANĘ POLA POWIERZCHNI WALCA PO PRZYŁOŻENIU SIŁY F

Warto sobie obrać układ współrzędnych i niech o osie x i y będą leciały równolegle do podstawy, a oś z będzie jednocześnie osią walca i będzie leciała do góry.

Na początek piszemy 3 równania opisujące trójkierunkowy stan naprężenia

x = x/E – *y/E – *z/E [1]

y = y/E – *x/E – *z/E [2]

z = z/E – *x/E – *y/E [3]

i tak jak wcześniej mówiliśmy te 3 równania ZAWSZE wystąpią w tego typu zadaniach. I teraz jak spojrzymy na nie dokładniej to widać że mamy 6 niewiadomych:

– odkształcenia względne wzdłuż 3 osi – x, y , z

– naprężenia wzdłuż 3 osi – x , y , z

I teraz to zaczyna być logiczne, że potrzebujemy 6 równań żeby policzyć 6 niewiadomych. A ponieważ już mamy 3 (te powyżej) , to musimy wymyśleć 3 dodatkowe.

Wiadomo że wzdłuż osi równoległych do podstawy naprężenie wynosi ZERO, ponieważ na tworzącą walca (boki walca) nic nie naciska.

x = 0 [4]

σy = 0  [5]

Wiadomo że naprężenie wzdłuż osi z (osi walca – w pionie) wyniesie tyle co siła F podzielona przez pole podstawy walca.

z = F : ( 0,25 * * D) = 1,3*F : D2

Mamy teraz 6 równań i 6 niewiadomych . Jak wstawimy równania [4] , [5] i [6] do równań [1] , [2] oraz [3] to dalej pójdzie z górki:

x = /E – */E – *1,3*F / ( E * D2 ) [1]

y = /E – */E – *1,3*F / ( E * D2 ) [2]

z = 1,3*F / ( E * D2 ) – */E – */E [3]

Po uproszczeniu to wygląda trochę lepiej:

x = (- *1,3*F / ( E * D2 ) [1]

y = (- *1,3*F / ( E * D2 ) [2]

z = 1,3*F / ( E * D2 ) [3]

Jak widać powyżej, mamy już policzone odkształcenia względne we wszystkich kierunkach, czyli o ile PROCENTOWO zmienią się wszystkie prostopadłe do siebie wymiary walca – średnica i wysokość.

Wiemy że średnica wynosiła D, a jak nacisnęliśmy walec od góry siła F to średnica (która się zwiększyła) wyniosła:

D + D * x = D + D* *1,3*F / ( E * D2 ) = D + * 1,3 * F / ( E * D )

czyli suma początkowej średnicy D i tego odcinka o ile ona się zwiększyła.

Wysokość zmniejszy się i wyniesie:

2*D – 2*D*z = 2*D – 2*D*1,3*F / ( E * D2 ) =

= 2*D – 2,6*F / ( E * D )

czyli początkowa wysokość 2*D minus to o ile walec zmniejszył wysokość.

Pole powierzchni jest sumą

powierzchni tworzącej

oraz

dwukrotnej powierzchni podstawy:

S = 2 * * D2 : 4 + D * * 2 * D = 0,25 * * D2 + * 2 * D2 =

= 2,25 * * D2

Po odkształceniu to samo pole wyniesie:

S + S = 2,25 * * ( D + * 1,3 * F / ( E * D ))2

Czyli zmiana pola wyniesie:

S = 2,25 * * ( D + * 1,3 * F / ( E * D ))2 – 2,25 * * D2

Prawda że łatwe?

Wytrzymałość złożona – zginanie ze skręcaniem – zadanie

Dzisiaj zrobimy kolejne i trochę nietypowe zadanie z wytrzymałości złożonej, w którym wystąpi zginanie i skręcanie.

Wytrzymałość złożona – zadanie 23

Belkę o średnicy d i długości 2*a wmurowano w ścianę i obciążono na lewym końcu momentem skręcającym q*a² i obciążeniem ciągłym q.

zlozona13 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

Wiadomo, że a=10*d. Autor zadaje pytanie:

OBLICZ NAJWIĘKSZE NAPRĘŻENIE ZREDUKOWANE

1.Belka może być rozciągana, ścinana, zginana lub/i skręcana.

W tym przypadku widać, że belka nie będzie rozciągana, ponieważ żadna siła nie działa WZDŁUŻ belki.

2.A jak będzie ze ŚCINANIEM ?:

Na odcinku AB poprzecznie do belki działa obciążenie ciągłe q. I jak to będzie w poszczególnych punktach i przedziałach? Tradycyjnie bierzemy KARTKĘ i będziemy odsłaniać poszczególne części belki.

zlozona14 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

Teraz zasłaniamy tak, żeby widzieć tylko lewy koniec belki i punkt A:

TA = 0

bo tutaj jeszcze żadna siła nie działa w poprzek.

W kolejnym kroku odsłaniamy cały lewy przedział AB:

zlozona15 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

TB = (-q) * a

ponieważ w poprzek belki działa obciążenie q na długości a.

Następnie odsłaniamy całą belkę:

zlozona16 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

TBC = (-q) * a

Siła tnąca policzona, to można zrobić wykres.

zlozona17 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

3.Ścinanie załatwione – przyszła pora na ZGINANIE.

Podobnie zasłaniamy tak, żeby widzieć tylko lewy koniec belki i punkt A:

zlozona14 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

MgA = 0

Kolejno odsłaniamy cały lewy przedział AB:

zlozona15 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

MgB = q*a * a/2 = 1/2*q*a2

Belkę zgina siłą q*a działającą na ramieniu a/2.

Na koniec odsłaniamy całą długość belki:

zlozona16 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

MgC = q*a * 1,5*a = 3/2*q*a²

Kolejno q*a to jest siła, następnie 1,5*a to jest odległość od KARTKI (punktu C) do połowy obciążenia ciągłego q. Wszystko wiadomo o momentach gnących, czyli można narysować wykres.

zlozona18 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

4.Teraz zajmiemy się SKRĘCANIEM i widać, że cała belka jest skręcana tym samym momentem q*a²:

MsAB = q*a²

MsBC = q*a²

zlozona19 - Wytrzymałość złożona - zginanie ze skręcaniem - zadanie

5.To już mamy wszystkie wykresy i widać gołym okiem, że w każdym z 3 wykresów największe obciążenie występuje w punkcie C.

I tutaj obliczymy

NAPRĘŻENIA ZREDUKOWANE

i to jest tradycja w zadaniach z wytrzymałości złożonej.

Przekrój belki:

A = * d² / 4

Wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie:

W = * d³ / 32

Wskaźnik wytrzymałości przekroju na skręcanie:

Wo = * d³ / 16

Naprężenia ścinające w punkcie C:

C = TBC : A = (q * a) : ( * d² / 4) = 1,3 * q * 10 * d / d² = 13 q/d

Naprężenia zginające w punkcie C:

gC = MgC : W = (3/2 * q * a²) : ( * d³ / 32) =

= (32 * 3/2 * q * a²) : ( * d³) = 15 * q * (10*d)² / d³ = 1500 q/d

Naprężenia skręcające w punkcie C:

sC = MsBC : Wo = (q * a²) : ( * d³ / 16) = (16 * q * a²) : ( * d³) =

= 5,1 * q * (10 * d)² / d³ = 510 q/d

Z hipotezy Hubera obliczymy naprężenia zredukowane, czyli takie, które łączą wszystkie naprężenia razem:

redC = √[(rc+gc)² + 3*(c+sc)²] = √ [(gc)² + 3*(c+sc)² ] =

= √ [(1500q/d)² + 3*(13q/d+510q/d)² ] = 1752q/d

Prawda że proste?

Układ prętowy statycznie niewyznaczalny – zadanie 27

No i mamy kolejne

Wytrzymałość – rozciąganie – układ statycznie niewyznaczalny – zadanie 18

ciekawe zadanie z układów prętowych statycznie niewyznaczalnych. 3 pręty połączone przegubem obciążono w tym samym przegubie siłą P.
rozciaganie10 - Układ prętowy statycznie niewyznaczalny - zadanie 27
Autor zadaje pytanie:

OBLICZ SIŁY W PRĘTACH

Tradycyjnie uwalniamy węzeł od więzów, czyli zastępujemy pręty siłami.
rozciaganie11 - Układ prętowy statycznie niewyznaczalny - zadanie 27

Po pierwsze

Jak widać, powstał układ PŁASKI ZBIEŻNY i można tutaj napisać DWA równania równowagi:
– suma rzutów na oś x
– suma rzutów na oś y

∑Pix = S2 * sinα – S3 * sinα = 0 [1]
∑Piy = S1 – P + S2 * cosα – S3 * cosα = 0 [2]

Po drugie

Napisaliśmy 2 równania równowagi, bo tyle można było, a niewiadomych jest 3:
S1 , S2 oraz S3
a więc tak jak już było mówione, jest to układ prętowy

STATYCZNIE NIEWYZNACZALNY

a dokładnie jednokrotnie statycznie niewyznaczalny.
Wobec powyższego musimy zrobić jeszcze jedno dodatkowe równanie i w tym przypadku będzie ono związane z odkształceniami.
rozciaganie12 - Układ prętowy statycznie niewyznaczalny - zadanie 27
Na rysunku powyżej widać pręty nr 2 i 3 przed odkształceniem i po odkształceniu.

Tak jak widać, węzeł przesunął się pionowo w dół (z punktu A do punktu A’) zgodnie z kierunkiem działania siły. To pionowe przesunięcie jest równe wydłużeniu pręta nr 1 (tego pionowego).

Ze skośnymi prętami nr2 i nr3 jest trochę trudniej:
Linią ciągłą widać pręty przed odkształceniem, a linią przerywaną widać pręty po odkształceniu.

Oba pręty po odkształceniu leżą POD TYM SAMYM KĄTEM, ale jak widać pręt nr 3 skrócił się, a pręt nr 2 wydłużył. Tylko teraz powstaje pytanie, o ile się wydłużył:
Widać obok siebie pręt nr 2 przed odkształceniem i obok widać ten sam pręt po odkształceniu (linią przerywaną).

No to jak 2 pręty leżą obok siebie , to widać który jest dłuższy – dłuższy jest pręt nr 2 po odkształceniu.

Żeby było jeszcze ciekawiej , to widać o ile pręt nr 2 się wydłużył – zmienił swoją długość o ΔL2.

A najlepsze jest to że o tyle samo skrócił się  pręt nr 3:
ΔL2 = ΔL3
Można by się zapytać, dlaczego oba pręty zmieniły swoją długość o taki sam odcinek, ale też jest proste:
Bo są do siebie równoległe, przy czym każdy przypadek układu prętów należy rozpatrywać indywidualnie.
To teraz jak już mamy narysowane jak leżą i jak wydłużają się poszczególne pręty, to teraz napiszemy najprostszą zależność która wiąże poszczególne odkształcenia.

I ta TRZECIA zależność powstała przy okazji, ponieważ widzimy trójkąt prostokątny (ten czerwony), w którym przeciwprostokątną jest ΔL1, a jedną  z przyprostokątnych jest ΔL2 = ΔL3.

rozciaganie14 - Układ prętowy statycznie niewyznaczalny - zadanie 27

Jak mamy trójkąt prostokątny to z daleka już czuć TRYGONOMETRIĘ, a więc postawmy tutaj takie pytanie:
W jakiej funkcji trygonometrycznej występują te 2 boki trójkąta? Jak się tak dobrze przyjrzeć to można zobaczyć, że to będzie cosinus:

cosα = ΔL2 : ΔL1
Można to zapisać inaczej:
ΔL2 = ΔL1 * cosα

To teraz jeżeli mamy równanie, w którym są odkształcenia rozciąganych prętów, to wstawimy w to znane już prawo Hooke’a:

 

siła w pręcie * długość pręta
wydłużenie = —————————————————————————-
moduł Younga * przekrój pręta

 

S2 * L/cosα        S1 * L/cosα
——————- = ——————– * cosα
E * F                    E * F

 

S2 * L/cosα           S1 * L
——————- = —————
E * F                    E * F
Dzielimy obie strony równania przez L i mnożymy przez E*F:
S2 / cosα = S1

i to jest TRZECIE równanie, którego tak poszukiwaliśmy.

Po trzecie

Teraz mając 3 niewiadome siły w 3 prętach i 3 równania możemy łatwo te siły obliczyć:
∑Pix = S2 * sinα – S3 * sinα = 0 [1]
∑Piy = S1 – P + S2 * cosα – S3 * cosα = 0 [2]
S2 /cosα = S1 [3]

Upraszczamy równanie [1]:
S2 * sinα = S3 * sinα
S2 = S3
i wstawiamy do [2]:
S1 – P + S3 * cosα – S3 * cosα = 0
S1 – P  = 0
Siła w pręcie nr1 wyniesie:
S1 = P

Z równania [3] wynikają siły w prętach nr2 i nr3:
S2 = cosa * S1 = S3

Prawda że łatwe?

Ściskanie mimośrodowe – zadanie 26

To tak na wstępie powiedzmy sobie, co to jest ściskanie mimośrodowe:

To jest tak, jakby ściskać prostopadłościan po przyłożeniu siły nie w środku ścianki tylko trochę z boku.

mimosodowe1 - Ściskanie mimośrodowe - zadanie 26

Tak jak widać na rysunku powyżej, siła jest przyłożona nie w osi prostopadłościanu, tylko lekko przesunięta.

Wymiary podstawy wynoszą a x a. Wysokość prostopadłościanu wynosi 2*a. Wartość siły wynosi F i dodatkowo jej punkt przyłożenia jest przesunięty w bok o odległość e względem osi symetrii. Dodatkowo wiadomo, że

e = 0,25 * a

mimosrodowe2 - Ściskanie mimośrodowe - zadanie 26

Autor zadaje pytanie:

 

OBLICZ  MAKSYMALNE NAPRĘŻENIA NORMALNE W PRZEKROJU W POŁOWIE WYSOKOŚCI PROSTOPADŁOŚCIANU

 

Zacznijmy od tego jakie obciążenia działają na prostopadłościan:

Po pierwsze

To że jest ściskany siłą F wzdłuż wysokości, to widać ponieważ siła F działa w pionie czyli też wzdłuż wysokości.

Po drugie

Ponieważ siła F nie działa na sam środek podstawy (bo jest to ściskanie mimośrodowe), tylko jest przesunięta w bok o odległość e, to z tego wynika moment gnący wynoszący:

Mg = F * e

czyli siła pomnożona przez ramię – przesunięcie punktu jej przyłożenia względem środka podstawy.

 

To teraz jak do tego podejść?

 

Na początek zajmiemy się

ściskaniem:

Przekrój poziomy czyli pole podstawy prostopadłościanu:

S = a2

Naprężenia rozciągające:

r = (-F) : a²

A dlatego z minusem ponieważ siła F ściska prostopadłościan wzdłuż wysokości, czyli stara się zmniejszyć jego wysokość.

 

Ściskanie załatwione to teraz kolej na

zginanie:

Wskaźnik wytrzymałości na zginanie przekroju poziomego (prostokąta o wymiarach a x a ) :

W = a * a² / 6

Maksymalne naprężenia zginające:

gmax = Mg : W = F * e : [a³ / 6] = 6 * F * 0,25 * a : a³ = F * 1,5 : a²

mimosodowe3 - Ściskanie mimośrodowe - zadanie 26

Na powyższym rysunku widać,  to co obliczyliśmy – oba naprężenia występują jednocześnie i sumaryczne maksymalne naprężenie jest sumą obliczonych wartości:

zmax = g + r = F * 1,5 /+ F / a² = 2,5 * F /