10 hipotezy wytrzymalosciowe


STANY NAPRŻENIA I ODKSZTAACENIA
Analiza stanu naprężenia:
Stan naprężenia jest określony sześcioma składowymi:
naprężenia normalne: sx,sy,sz,
naprężenia styczne: txy,tyz,tzx.
W celu zachowania równowagi sześciennej kostki, naprężenia styczne
na wzajemnie prostopadłych płaszczyznach są sobie równe (twierdze-
nie o równości naprężeń stycznych):
txy = tyx, tyz = tzy, tzx = txz.
STANY NAPRŻENIA:
- Jednoosiowy stan naprężenia: sx ą 0, sy = sz = txy = tzx = tzy = 0.
- Płaski stan naprężenia: sx ą 0, sy ą 0, txy ą 0, sz = tzx = tzy = 0.
- Przestrzenny stan naprężenia.
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 111
Analiza stanu odkształcenia
Stan odkształcenia jest określony sześcioma składowymi:
wydłużenia liniowe: ex, ey, ez
kąty odkształcenia postaciowego: gxy, gxz, gzx
Poniższy rysunek pokazuje odkształcenia sześciennej kostki pod dzia-
łaniem wydłużeń liniowych e1, e2, e3 (indeksy 1, 2 i 3 oznaczają pominię-
cie odkształceń kątowych) oraz w dolnym wierszu odkształceń posta-
ciowych g w trzech płaszczyznach..
STANY ODKSZTAACENIA:
- Odkształcenia czysto objętościowe.
- Odkształcenia czysto postaciowe.
Odkształcenie: a) czysto objętościowe, b) czysto postaciowe
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 112
Związki między stanem odkształcenia
i stanem naprężenia
Dla sześcianu na który działają tylko naprężenia normalne (zwane na-
prężenia głównymi s1, s2, s3 dla podkreślenia, że pomija się wszystkie
naprężenia styczne t i stan odkształceń jest czysto objętościowy), wy-
dłużenia liniowe w kierunku trzech osi XYZ wynoszą:
Trójwymiarowy stan naprężeń głównych
Zgodnie z zasadą superpozycji i prawem Hooke'a wydłużenia liniowe
w poszczególnych kierunkach wynoszą:
s1 s1 s1
 kierunek 1:
e1 = , e2 = -e1 = - , e3 = -e1 = - ,
E E E
s2 s2 s2
 kierunek 2:
e1 = -e2 = - , e2 = , e3 = -e2 = - ,
E E E
s3 s3 s3
 kierunek 3:
e2 = -e3 = - ,
e1 = -e3 = - , e3 = .
E
E E
Po zastosowaniu zasady superpozycji, wydłużenia liniowe wynoszą:
s1 s2 s3 1
e1 = + - - = [s1 - (s2 + s3 )],
E E E E
s1 s2 s3 1
e2 = - + - = [s2 - (s1 + s3 )],
E E E E
s1 s2 s3 1
e3 = - - + = [s3 - (s1 + s2 )].
E E E E
Ponieważ odkształcenia kątowe nie mają wpływu na wydłużenia linio-
we, powyższe zależności można uogólnić dla dowolnego stanu:
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 113
1
ex = [sx - (sy + sz)],
E
1
ey = [sy - (sx + sz )],
E
1
ez = [sz - (sx + sy)].
E
Dla odkształceń czysto postaciowych można wyprowadzić kolejne za-
leżności pomiędzy składowymi stanu naprężenia i stanu odkształcenia:
txy tyz
tzx
gxy = , gyz = , gzx = .
G G G
Powyższe zależności określają prawo Hooke'a dla czystego ścina-
nia.
Współczynnik G nosi nazwę modułu ścinania (modułu odkształcenia
postaciowego, modułu Kirchhoffa):
E
G = [MPa].
2(1+ )
Moduł ścinania G jest obok modułu Younga E i liczby Poissona
trzecią stałą sprężystą opisującą właściwości materiału.
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 114
UOGÓLNIONE PRAWO HOOKE A
Dla idealnie sprężystego materiału izotropowego zależności między
składowymi stanu odkształcenia i składowymi stanu naprężenia noszą
nazwę uogólnionego prawa Hooke'a. Składowe stanu odkształcenia
jako funkcje składowych stanu naprężenia wyrażone są zależnościami:
txy
1
ex = [sx - (sy + sz)], gxy = ,
E G
tyz
1
ey = [sy - (sx + sz )], gyz = ,
E G
1 tzx
ez = [sz - (sx + sy)], gzx = .
E G
Rozwiązując ten układ równań, można określić składowe stanu naprę-
żenia jako funkcje składowych stanu odkształcenia:
E

sx = (ex
ęex + 1- 2 + ey + ez)ł , txy = Ggxy,
ś
1+

E

sy = (ex
ęey + 1- 2 + ey + ez)ł , tyz = Ggyz,
ś
1+

E

sz = (ex + ey + ez)ł , tzx = Ggzx.
ęez + ś
1+ 1- 2

Przedstawione wyżej zależności znajdują zastosowanie przede
wszystkim w tensometrii, doświadczalnym dziale wytrzymałości mate-
riałów, zajmującym się pomiarem składowych stanu odkształcenia i obli-
czaniem na tej podstawie wartości składowych stanu naprężenia.
Składowe stanu naprężenia są stosowane w warunku wytrzymało-
ściowym, wykorzystując hipotezę wytrzymałościową, umożliwiającą
analizę złożonych stanów naprężenia (tzn. na projektowanie i obliczenia
wytrzymałościowe dominujących w wytrzymałości materiałów przypad-
ków wytrzymałości złożonej).
Uogólnione prawo Hooke a pozwala zrozumieć szereg zjawisk zwią-
zanych z odkształceniami elementów konstrukcyjnych. Odkształcenia
próbki podczas statycznej próby rozciągania oraz płaski stan naprężenia
przedstawiono w poniższej tabeli.
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 115
Jednoosiowe rozciąganie
(statyczna próba rozciągania):
sx ą 0, sy = sz = txy = tzx = tzy = 0.
Z uogólnionego prawa Hooke a:
Klasyczna
1
postać
ex = [sx],
prawa Hooke a
E
1 1
Statyczna próba rozciągania:
ey = [- sx ], ez = [- sx ].
E E
P P
Jednoosiowemu rozciąganiu towarzy-
szy trójwymiarowy stan odkształceń 
stąd można wyjaśnić powstawanie
Szyjka
szyjki w rozciąganej próbce po prze-
kroczeniu granicy plastyczności.
P P
Płaski stan naprężenia:
sx ą 0, sy ą 0, txy ą 0,
sz = tzx = tzy = 0.
Z uogólnionego prawa Hooke a:
1
ex = [sx - sy ],
E
1
ey = [sy - sx],
E
1
ez = [- (sx + sy)].
E
Płaski stan naprężenia tworzy trój-
wymiarowy stanu odkształcenia (po-
dobnie  płaski stan odkształcenia
tworzy trójwymiarowy stan napręże-
nia).
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 116
ZASTOSOWANIE UOGÓLNIONEGO PRAWA HOOKE A
W TENSOMETRII
Na powierzchni sprężystego ciała (E = 2,1105 MPa, = 0,3) dokonano
tensometrycznego pomiaru wydłużeń względnych w kierunkach A, B, C i
uzyskano: eA = 1,36o/oo, eB = 0,24o/oo, eC =  0,85o/oo. Wyznaczyć składowe
stanu naprężenia oraz wartości i kierunki naprężeń głównych.
Rozeta tensometryczna, płaski stan naprężenia
Na powierzchni ciała występuje płaski stan naprężenia. Rysunek
przedstawia typową rozetę tensometryczną, umożliwiającą pomiar od-
kształceń liniowych w trzech kierunkach (kąt a = 45). Po przyjęciu ukła-
du osi XY i określeniu składowych stanu naprężenia dla tego układu (rys.
b) można z uogólnionego prawa Hooke a dla płaskiego stanu określić
wartości naprężeń normalnych:
E E
sx = (ex + e ) = (eC + e ) =
y A
1- 2 1- 2
2,1105
= (- 0,85 + 0,3 1,36)10-3 = -102 MPa,
1- 0,32
E E
sy = (ey + e ) = (eA + eC ) =
x
1- 2 1- 2
2,1105
= (1,36 + 0,3(- 0,85))10-3 = 255 MPa.
1- 0,32
W celu wyznaczenia naprężenia stycznego należy skorzystać ze
schematu przedstawionego na rys. c. Wydłużenie w kierunku tensometru
B wynosi
1
eB = ea = (sa - s ).
o
a + 90
E
Naprężenia normalne dla kierunku a = 45 określa się następująco:
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 117
sx + sy sx - sy sx + sy
sa = + cos(2 45o ) - txy sin(2 45o ) = - txy,
2 2 2
sx + sy sx - sy sx + sy
s = - cos(2 45o ) + txy sin(2 45o ) = - txy.
a+90o
2 2 2
Po wprowadzeniu tych zależności do wzoru na eB i po uporządkowaniu
otrzymuje się zależność pozwalającą obliczyć wartość naprężeń stycz-
nych:
E
txy = (ex + ey - 2ea).
2(1- )
Po wstawieniu danych liczbowych
E
txy =
C
2(1- )(e + eA - 2eB ) =
2,1105
=
2(1- 0,3)(- 0,85 + 1,36 - 2(- 0,24))10-3 = 148,5 MPa.
Kierunki naprężeń głównych oblicza się ze wzoru:
- 2txy - 2 148,5
tga0 = = = 0,8319 ao @ 20o.
sx - sy - 102 - 255
Ponieważ sx < sy, kąt ao wyznacza kierunek naprężenia s2. Napręże-
nia główne wynoszą:
sx + sy sx - sy 2
ć

s1,2 = ą + t2 ,
xy

2 2
Ł ł
2
- 102 + 255 - 102 - 255
ć
s1,2 = ą + 148,52 = 76,5 ą 232,2 MPa.

2 2
Ł ł
Zgodnie z umową s1 = 308,7 MPa, s2 =  155,7 MPa. Do sprawdzenia
poprawności wyników można wykorzystać związki
sx + sy = s1 + s2 = 153MPa.
Przedstawiony przykład ma znaczenie praktyczne  dzięki pomiarom
tensometrycznym odkształceń można określić doświadczalnie wartości
naprężeń w niebezpiecznych punktach konstrukcji i porównać je z wyni-
kami obliczeń numerycznych.
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 118
HIPOTEZY WYTRZYMAAOŚCIOWE
W praktyce inżynierskiej występują złożone stany napręże-
nia, będące kombinacją naprężeń normalnych i stycznych.
Przyjęcie hipotezy wytrzymałościowej umożliwia znalezienie
matematycznej funkcji pozwalającej na zastąpienie złożonego,
przestrzennego stanu naprężenia przez stan jednoosiowego
rozciągania, dokładnie opisany przez statyczną próbę rozcią-
gania. Dzięki temu w obliczeniach wytrzymałościowych można
wykorzystać warunek wytrzymałościowy:
snieb
sred Ł sdop = .
n
Ideę obliczeń wytrzymałościowych opartą na
naprężeniach zredukowanych pokazano na rysunku.
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 119
Obecnie znanych jest kilkadziesiąt hipotez wytrzymałościo-
wych. Niektóre z nich mają już tylko znaczenie historyczne, inne
nie są dostatecznie potwierdzone przez doświadczenie, jeszcze
inne są bardzo wyspecjalizowane i przeznaczone do wąskiej
klasy zagadnień wytrzymałościowych.
Spośród hipotez ogólnych, dających wyniki zgodne z do-
świadczeniem, należy wymienić hipotezę energii odkształce-
nia postaciowego (hipotezę Hubera).
Maksymilian Tytus Huber (1872-1950) polski uczony,
współtwórca współczesnej mechaniki teoretycznej,
profesor Politechniki Lwowskiej, Politechniki Warszawskiej
i po II Wojnie Światowej Politechniki Gdańskiej.
Hipoteza ta należy do licznej grupy tzw. hipotez energetycz-
nych. Twórcy hipotezy (Huber 1904, Mises 1913, Hencky 1925)
przyjęli, że miarą wytężenia materiału jest wartość energii
sprężystej odkształcenia postaciowego.
Dla przypadku jednoczesnego występowania naprężeń nor-
malnych i stycznych (zginanie belek), naprężenia zredukowane
zastępujące ten złożony stan naprężenia oblicza się z zależno-
ści:
sred = s2 + 3t2.
Hipoteza Hubera (Hubera  Misesa  Hencky go) jest po-
twierdzona doświadczalnie i jest obecnie bardzo szeroko sto-
sowana w praktyce inżynierskiej.
10 Stany naprężenia i odkształcenia. Hipotezy wytrzymałosciowe 120


Wyszukiwarka