02 Wytrzymalosc

background image

2.Wytrzymałość materiałów


2.1 Ściskanie i rozciąganie prętów


2.1.1
Obliczyć o ile wydłuży się pod własnym ciężarem pręt o długości l, jeżeli wykonany jest z
aluminium o gęstości

ρ

= 2,6 g/cm

3

i module Younga E = 64 MPa.

y

dx

x

l

x




2.1.2
Dla prętów pokazanych na rysunkach obliczyć wydłużenie całkowite. Dla przypadku C)
wyznaczyć również przemieszczenia punktów A i B. Moduł Younga dla wszystkich prętów
przyjąć równy E.
Dane: F, E, d ,a ,l
A)

φ2d

φ1,

5d

l

l

F

B)

l/2

φ2d

l

l

F

2F

φ1,

5d

C)

l

l/2

l

l

φ3a

φ2a

φ3a

F

2

F

B

A

F

background image


2.1.3
Obustronnie utwierdzony pręt o przekroju kołowym (przedstawiony na rysunku) oziębiono o

t

°C. Obliczyć reakcje ścian oraz naprężenia w prętach, jeżeli liniowy współczynnik

rozszerzalności wynosi

α

, a moduł Younga jest równy E. Pręt dodatkowo obciążono siłą 7P

zaznaczoną na rysunku.
(Termiczne wydłużenie liniowe opisuje zależność

l=

α∆

tl)

7P

φd

φ2d

R

1

=?

R

2

=?

l

l


2.1.4
Obustronnie utwierdzony pręt o przekroju kołowym (przedstawiony na rysunku) obciążono
siłą Q a następnie ogrzano. Obliczyć o ile ogrzano ten pręt, rekcję R

2

a także naprężenia w

prętach, jeżeli reakcja jednej ze ścian po ogrzaniu wynosi 2Q; liniowy współczynnik

rozszerzalności jest równy

α

, Moduł Younga dla pręta przyjąć równy E.

Q

φa

φ1,

5a

R

1

=2Q

R

2

=?

l

l

2.1.5
Pręt o przekroju kołowym obciążony jest siłami P i 2P jak przedstawiono na rysunku.
Wyznaczyć reakcję ścian. Szerokość szczeliny wynosi

δ a moduł Younga dla materiału z

którego wykonany jest pręt E.

L

δ

2P

P

L

L

φ2d

φd


2.1.6
Filar mostu w całości ma być zanurzony w wodzie. Jak musi się zmieniać przekrój
poprzeczny tego filaru wykonanego z betonu o gęstości

ρ, aby naprężenia w dowolnym

przekroju były równe wytrzymałości betonu na ściskanie k

c

. Przyjąć że górna powierzchnia

filaru obciążona jest równomiernie naciskiem powierzchniowym q = k

c

a jej pole wynosi S

0

.

background image


2.1 Zginanie belek


2.2.1

Dla belek przedstawionych na rysunkach sporządzić wykresy siły tnącej (T) oraz momentu
gnącego (M

g

)

a)

2a

a

3a

F

2F

B

A

b)

2a

a

3a

F

M = 2Fa

B

A

c)

M = 0,5qa

2

a

a

2a

A

M = 0,5qa

2

q

B


2.2.2
W celu zbadania wpływu naprężeń na własności magnetyczne ciał stosuje się próbki w
kształcie pasków materiału o przekroju prostokątnym w układzie jak na rysunku. Jaką wartość
muszą mieć siły F aby zbadać próbkę w zakresie do granicy plastyczności (200MPa), jeżeli
próbki mają długość L = 9 cm, szerokość b = 1 cm i grubość h = 0,3 mm. W jakim obszarze
można przeprowadzać badania.

l/3

l/3

l/3

F

F



background image

2.2.3
Jak długi pręt o masie całkowitej m (o przekroju kołowym) można wykonać z materiału o
gęstości

ρ

, aby pręt ten po ułożeniu go poziomo i podparciu jego końców nie uległ

zniszczeniu pod własnym ciężarem. Naprężenie maksymalne na zginanie materiału pręta
wynosi k

g

. Wskaźnik wytrzymałości przekroju porzecznego belki na zginanie dla belki o

przekroju kołowym wynosi W =

π

R

3

/4


2.2.4

Zaprojektuj belkę o przekroju prostokątnym, przy założeniu stałej jej grubości h = const, jako
belkę o równomiernej wytrzymałości na rozciąganie. Obliczenia wykonaj dla obciążenia
przedstawionego na rysunku.

l

l

F

B

A

h

R

A

=F/2

R

B

=F/2


2.2.5
Po belce o długości l podpartej na obu końcach może przemieszczać się człowiek o ciężarze
G. Wyznaczyć wymaganą grubość belki o przekroju kwadratowym aby człowiek nie
spowodował zniszczenia belki, jeżeli naprężenie dopuszczalne na zginanie wynosi k

g


2.2.6
Wyznaczyć maksymalną wartość naprężeń rozciągających w belce suwnicy przedstawionej
na rysunku, jeżeli wskaźnik wytrzymałości przekroju porzecznego belki na zginanie wynosi
W.

A

R

A

x

Q

B

R

B

Q

d

l






background image

Rozwiązania:

2.1.1.R
Rozpatrzmy wydłużenie elementu pręta o długości dx znajdującego się w odległości x od
dolnego końca pręta. Element ten jest rozciągany siłą równą co do wartości ciężarowi pręta
znajdującego się poniżej tego elementu.

( )

( )

g

x

S

g

x

m

x

F

ρ

=

=


Z prawa Hooke’a otrzymujemy:

( )

( )

dx

E

g

x

dx

E

S

g

x

S

dx

E

S

x

F

dx

E

dx

dx

S

x

F

ρ

ρ

=

=

=

=

,


Aby wyznaczyć całkowite wydłużenie pręta musimy zsumować (scałkować) wydłużenia
wszystkich elementów dx.

E

l

g

dx

x

E

g

dx

E

g

x

dx

l

l

l

l

2

2

0

0

0

ρ

ρ

ρ

=

=

=

=

Odpowiedź: całkowite wydłużenie pręta wyniesie:

mm

2

,

0

2

2

=

E

l

g

l

ρ

2.1.2.R
A)
Reakcję ściany wyznaczamy z zależności:

F

R

F

R

=

=

0


Korzystając z prawa Hooke’a otrzymujemy:

ES

Fl

l

l

l

E

S

F

E

=

=

=

ε

σ


Wydłużenie całkowite jest sumą wydłużeń obu prętów:

2

1

2

1

ES

Fl

ES

Fl

l

l

l

=

+

=

, gdzie

,

2

1

d

S

π

=

2

2

16

9

d

S

π

=

E

d

Fl

l

2

9

25

π

=

(pręt jest ściskany)


B)
Reakcję ściany wyznaczamy z zależności:

F

R

F

F

R

=

=

+

0

2

2

2

1

3

2

1

)

2

(

2

ES

l

F

F

ES

Fl

ES

Fl

l

l

l

l

+

+

=

+

+

=

,

background image

gdzie

,

2

1

d

S

π

=

2

2

16

9

d

S

π

=

E

d

Fl

l

2

9

π

=

C)

E

a

Fl

l

2

9

27

π

=

E

a

Fl

x

E

a

Fl

x

B

A

2

2

9

19

9

8

π

π

=

=


2.1.3.R
Całkowite wydłużenie pręta składa się z wydłużenia (skrócenia) termicznego i wydłużenia
mechanicznego. Z uwagi na to, że pręt jest utwierdzony jest ono zerowe.

0

=

+

=

m

t

l

l

l


Wydłużenie termiczne obliczamy z zależności:

t

l

l

t

=

α

2

- minus oznacza oziębianie, a czynnik 2 wynika z faktu że rozpatrujemy

wydłużenie obu fragmentów pręta jednocześnie.


Wydłużenie mechaniczne jest sumą wydłużeń obu fragmentów:

(

)

(

) (

)

2

1

2

1

2

1

2

1

1

1

2

1

5

7

7

4

7

d

E

l

R

P

d

E

l

R

P

d

E

l

R

ES

l

R

P

ES

l

R

l

l

l

m

π

π

π

=

+

=

+

=

+

=


Z warunków zadania:

(

)

(

)

2

1

1

2

2

1

2

7

5

1

5

7

2

0

5

7

2

0

d

tE

P

R

R

P

d

tE

d

E

l

R

P

tl

l

π

α

π

α

π

α

=

=

=

+

=


Drugą reakcję obliczamy z warunku równowagi sił:

(

)

2

2

1

2

2

1

2

28

5

1

7

0

7

d

tE

P

R

P

R

R

R

P

R

π

α

+

=

=

=


Następnie obliczamy naprężenia w prętach:

background image

(

)

2

2

2

1

1

1

5

28

5

8

5

2

7

4

d

P

tE

d

d

tE

P

S

R

π

α

π

π

α

σ

=

=

=

- minus przed R

1

oznacza ściskanie.

(

)

tE

d

P

d

d

tE

P

S

R

+

=

+

=

=

α

π

π

π

α

σ

5

2

5

28

5

2

28

2

2

2

2

2

2


2.1.4.R

2

2

2

1

2

2

4

9

32

9

34

a

Q

a

Q

Q

R

a

E

Q

t

π

σ

π

σ

π

α

=

=

=

=


2.1.5.R
Wskazówka: całkowite wydłużenie pręta wyniesie

δ

Jeżeli przyjmiemy że obie reakcje skierowane są w lewo otrzymamy:

L

E

d

P

R

L

E

d

P

R

6

3

2

6

3

7

2

2

2

1

δ

π

δ

π

=

+

=


2.1.6.R

Rozpatrzmy element filaru o wysokości dx. Na górną
powierzchnię tego elementu działa, zgodnie z warunkami
zadania siła:

y

dx

x

x

q=k

c

( )

( )

x

S

q

x

F

=

,


Wypadkowa siła działająca na element dx musi być równa
zeru.

(

)

( )

(

)

( )

,

,

0

w

dx

dx

w

F

Q

x

F

dx

x

F

Q

F

x

F

dx

x

F

+

=

+

=

+

+

+

+

r

r

r

r


gdzie F

w

oznacza siłę wyporu działającą na ten element natomiast Q

dx

jego ciężar.

( )

( ) (

)

dx

x

S

g

x

S

q

dx

x

S

g

dx

x

S

g

x

S

q

dx

x

F

w

w

)

(

)

(

)

(

)

(

ρ

ρ

ρ

ρ

+

=

+

=

+


Siłę działającą na dolna powierzchnię elementu możemy zapisać w postaci:

(

)

(

)

( )

(

)

( )

dS

q

x

qS

q

dS

x

S

dx

x

qS

dx

x

F

+

=

+

+

=

+


Przyrównując stronami otrzymamy:

background image

(

) ( )

( )

(

)

dx

q

g

x

S

dS

dx

x

S

g

dS

q

w

w

ρ

ρ

ρ

ρ

=

=

,


Po scałkowaniu otrzymamy:

( )

(

) (

)

C

x

q

g

x

S

w

+

=

ρ

ρ

ln


Stałą C wyznaczamy z warunku że dla x = 0 pole S(x) = S

0

, stąd C = ln(S

0

), czyli:

( ) (

)

( )

(

)





=

=





x

q

g

S

x

S

x

q

g

S

x

S

w

w

ρ

ρ

ρ

ρ

exp

,

ln

0

0


Odpowiedź: Pole przekroju filaru powinno rosnąć zgodnie z równaniem:

( )

(

)





=

x

q

g

S

x

S

w

ρ

ρ

exp

0



2.2.1.R
A)
Zadanie rozpoczynamy od wyznaczenia reakcji podporowych.

Z warunku równowagi momentów sił względem punktu A otrzymujemy:

F

R

R

F

a

R

a

F

a

F

M

B

B

B

A

3

2

0

6

4

0

6

3

2

2

0

=

=

+

=

+

=


Z równowagi sił:

F

R

F

R

R

F

A

B

A

y

3

1

0

0

=

=

+

=


Następnie belkę dzielimy na trzy obszary i wyznaczamy w nich T i M

g

1. 0<x<2a

F

R

T

A

3

1

=

=

Fx

x

R

M

A

g

3

1

=

=

2. 2a<x<3a

background image

F

F

F

F

R

T

A

3

4

3

1

=

+

=

+

=

(

)

aF

Fx

aF

Fx

Fx

a

x

F

x

R

M

A

g

2

3

4

2

3

1

2

=

+

=

+

=

3. 3a<x<6a

F

F

F

F

F

F

R

T

A

3

2

2

3

1

2

=

+

=

+

=

(

)

Fa

Fx

a

x

F

aF

Fx

M

g

4

3

2

3

2

2

3

4

+

=

=


Na podstawie obliczeń sporządzamy odpowiednie wykresy:

x

M

g

6a

3a

2a

2/3Fa

2Fa

x

T

2a

6a

3a

4/3F

-2/3F

1/3F






B) Reakcje podporowe obliczamy analogicznie jak w przypadku a) i otrzymujemy:

F

R

R

B

A

2

1

=

=


Podobnie jak poprzednio wyznaczamy T i M

g

w trzech obszarach:


1. 0<x<a

Fx

x

R

M

F

R

T

A

g

A

2

1

2

1

=

=

=

=

2. a<x<3a

background image

(

)

Fa

Fx

Fa

Fx

Fx

a

x

F

x

R

M

F

F

R

T

A

g

A

+

=

+

=

=

=

=

2

1

2

1

2

1

3. 3a<x<6a
T nie ulega zmianie na skutek działania pary sił o momencie M a więc :

F

T

2

1

=

Fa

Fx

Fa

Fa

Fx

M

Fa

Fx

M

g

3

2

1

2

2

1

2

1

+

=

+

+

=

+

+

=


Odpowiednie wykresy:

x

T

-0,5F

0,5F

6a

a

x

M

g

1,5Fa

-0,5Fa

0,5Fa

a

3a

6a

C)
Reakcje podporowe wyznaczamy z równowagi momentów i sił, przy czym ciągły
jednorodny rozkład siły o gęstości q traktujemy jak siłę F

q

przyłożoną w jego centrum

aq

R

R

aq

R

F

M

a

R

a

F

M

M

B

B

B

q

B

q

A

=

=

+

=

+

=

+

+

=

0

2

2

0

2

0

2

0

aq

aq

aq

R

F

R

R

F

A

q

B

A

y

=

=

=

+

=

2

0

0

Dla 3 obszarów otrzymujemy:
1. 0<x<a

2

0

2

qa

M

M

T

g

=

=

=

2. a<x<3a

qa

qx

qa

qx

qa

a

x

q

R

T

A

2

)

(

+

=

+

=

=

background image


Do wyznaczenia momentu gnącego korzystamy z faktu że wkład pochodzący od ciągłego
rozkładu siły (na długości x-a) jest równoważny wkładowi od siły (równej F

q

(x) = (x-a)q)

umiejscowionej w środku tego rozkładu (ramię działania tej siły to r = (x-a)/2).

(

)

( ) ( )

(

) (

)

2

2

2

2

a

x

q

a

x

qa

qa

x

r

x

F

a

x

R

M

M

q

A

g

+

=

+

=




3. 3a<x<4a

(

)

(

)

(

)

2

3

4

2

2

3

)

3

(

)

3

(

0

2

2

2

2

2

qa

qa

qax

qa

qax

qa

qax

qa

a

x

R

a

a

r

x

a

F

a

x

R

M

M

T

B

q

A

g

=

+

+

+

=

+

+

=

=


Wykresy sił i momentów przedstawia rysunek:

x

T

qa

-qa

a

3a

4a

x

M

g

qa

2

0,5qa

2

a

3a

4a



2.2.2.R
Aby rozwiązać przedstawione zagadnienie należy zbadać rozkład naprężeń na powierzchni
belki, czyli również rozkład momentu gnącego. W tym celu wyznaczmy najpierw reakcje
podporowe R

A

i R

B

. Z uwagi na symetrię zagadnienia mamy:

F

R

F

R

R

R

R

B

A

=

=

=

=

0

2

2

background image

Następnie dzielimy belkę na trzy obszary o długości l/3 każdy i wyznaczamy w nich moment
gnący:
a) w obszarze I 0<x</3

Fx

M

g

=

b) w obszarze II

l/3<x<2/3l

(

)

3

3

3

l

F

l

R

F

R

x

l

x

R

Fx

M

A

A

A

g

=

=

 −

+

=

c) w obszarze III

2/3l<x<l

(

)

Fl

Fx

l

R

l

R

F

R

R

x

l

x

R

l

x

R

Fx

M

B

A

B

A

B

A

g

=

+

=

 −

+

 −

+

=

3

2

3

3

2

3

Wykres momentu gnącego wygląda więc następująco:

Jak widać moment jest maksymalny (a zarazem ma stałą wartość

M

g

= Fa) w obszarze od l/3

do 2/3l, więc w tym obszarze należy prowadzić badania.

M

g

x

Fl/3

l/3

l/3


Aby znaleźć wartość naprężeń na powierzchni próbki korzystamy z zależności:

W

M

g

=

σ

,


gdzie W – wskaźnik wytrzymałości przekroju poprzecznego belki na zginanie, dla belki
prostokątnej:

6

2

bh

W

=


Po podstawieniu otrzymamy:

l

bh

F

bh

Fl

2

3

6

2

2

σ

σ

=

=


Jeżeli za

σ przyjmiemy granicę plastyczności i podstawimy otrzymamy

N

m

m

m

m

N

F

1

10

9

2

10

9

10

/

10

2

2

2

8

2

2

8

=

=

background image

Odpowiedź: Należy przyłożyć siłę

l

bh

F

2

2

σ

=

=1N

2.2.3.R
Reakcje podporowe dla pręta obciążonego jednorodnie (ciężarem własnym) będą sobie równe
i równe połowie ciężaru pręta:

Slg

Q

R

R

R

B

A

ρ

2

1

2

1

=

=

=

=

Moment gnący dla tak obciążonej belki:

( )

(

)

2

2

2

1

2

1

2

1

2

1

x

lx

Sg

Sgx

Slgx

x

x

Q

x

R

M

A

g

=

=

=

ρ

ρ

ρ

Aby znaleźć maksymalną wartość momentu liczymy pochodną względem x.

(

)

2

max

max

8

1

2

1

0

2

2

1

Sgl

M

l

x

x

l

Sg

dx

dM

g

g

ρ

ρ

=

=

=

=


Dla maksymalnego momentu gnącego korzystamy z zależności:

C

g

k

W

M

=

max

, gdzie

4

3

R

π

=

W

C

k

R

gl

R

=

3

2

2

8

4

π

ρπ

,

ale

l

m

R

l

R

m

ρπ

ρπ

=

=

2

5

2

2



=

g

m

k

l

C

ρ

ρπ

Odpowiedź: maksymalna długość pręta wynosi:

5

2

2



=

g

m

k

C

ρ

ρπ

l



2.2.4.R
Belka jest symetryczna, więc możemy rozpatrywać zagadnienie w przedziale 0<x<l, w tym
przedziale tym moment gnący opisany jest zależnością:

Fx

M

g

2

1

=

,


dla przekroju prostokątnego wskaźnik wytrzymałości wynosi:

( ) ( )

6

2

h

x

b

x

W

=



Jeżeli przyjmiemy dla naprężenia jego wartość dopuszczalną otrzymamy:

background image

( )

( )

( )

( ) ( )

6

2

h

x

b

x

M

x

W

x

W

x

M

dop

g

g

dop

=

=

=

σ

σ


stąd:

( )

dop

h

Fx

x

b

σ

2

3

=


Czyli otrzymujemy liniowo zmieniającą się szerokość przekroju z maksimum w środku belki
równym:

dop

h

Fl

b

σ

2

max

3

=

,

Belka taka widziana z góry:

b(x)

b

ma

x

=b

(l

)

Stosowanie takiej belki byłoby jednak kłopotliwe, dlatego w praktyce stosuje się belki o
innym kształcie. jeżeli podzielimy (myślowo) naszą belkę na paski tak jak pokazują linie
przerywane i odpowiednio złożymy, to otrzymamy belkę będącą w istocie piórem resoru:

F


2.2.5.R
Wyznaczmy reakcję podporową w podporze A, w tym celu skorzystamy z warunku

x

G

B

A

R

A

R

B

background image

zerowania się momentów względem podpory B:

( )

(

)

( )

(

)

l

x

l

G

x

R

x

l

G

l

x

R

M

A

A

B

=

=

+

=

0

Moment gnący na lewo od człowieka:

( )

( )

(

)

l

x

l

G

x

R

M

A

g

=

=

ξ

ξ

ξ

, gdzie

ξ jest odległością od lewej podpory.


Moment ten osiąga wartość ekstremalną w punkcie działania siły G (jest to zarazem wartość
maksymalna dla całej belki z uwagi na brak innych sił poza reakcjami podporowymi)

( )

l

Gx

Gx

x

M

g

2

=


Zbadajmy w jakim położeniu (x) człowiek wywoła największy moment gnący, w tym celu
policzmy pochodną:

( )

l

x

l

Gx

G

dx

x

dM

g

2

1

0

2

0

=

=

=

Czyli maksymalny moment gnący dla:

l

x

2

1

=

Pl

M

g

4

1

max

=


Z warunku wytrzymałości na zginanie:

W

M

k

g

g

max

=

, gdzie

3

6

1

h

=

W

3

2

3

h

Pl

k

g

=


ostatecznie:

3

2

3

g

k

Pl

h

=

.

Odpowiedź: belka musi mieć grubość co najmniej równą:

3

2

3

g

k

Pl

h

=

background image


2.2.6.R
Z warunków równowagi momentów otrzymujemy reakcje podporowe:

(

)

(

)

d

x

l

Q

R

d

x

l

l

Q

R

B

A

+

=

=

2

2

2

Momenty gnące w miejscach przyłożenia sił (tylko tam mogą one osiągać maksimum):

(

d

x

l

l

Qx

x

R

M

A

g

=

=

2

2

1

)

, dla siły na lewej osi wózka

(

)(

)

Qd

d

x

l

d

x

l

Q

Qd

d

x

R

M

A

g

+

=

+

=

2

2

)

(

2

, dla siły na prawej osi wózka


W celu znalezienia maksymalnych wartości momentów gnących liczymy ich pochodne
względem x i przyrównujemy je do zera.

2

max

1

1

1

2

2

4

2

0

 −

=

=

=

d

l

l

Q

M

d

l

x

dx

dM

g

g

2

max

2

2

2

2

2

4

3

2

0

 −

=

=

=

d

l

l

Q

M

d

l

x

dx

dM

g

g

Jak widać oba momenty mają taką samą wartość maksimum, a więc do policzenia
maksymalnego naprężenia możemy wziąć którykolwiek z nich.

2

max

max

2

2

 −

=

=

d

l

lW

Q

W

M

g

σ


Maksymalna wartość naprężeń rozciągających wyniesie:

2

max

2

2

 −

=

d

l

lW

Q

σ


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Cw 02 ?danie wytrzymalosci dielektrycznej dielektrykow stalych przy napieciu? i?
Prezentacja PKM Wytrzymałość zmęczeniowa 02
02 Znormalizowane próby wytrzymałościowe
Projekt 02, inżynieria ochrony środowiska kalisz, a pwsz kalisz ioś, IV odpady i wytrzymalosc materi
Cw 02 ?danie wytrzymałości dielektrycznej dielektryków stałych przy napięciu przemiennym i stałym
Cw 02 Badanie wytrzymalosci dielektrycznej dielektrykow stalych przy napieciu AC i DC
Wyk 02 Pneumatyczne elementy
02 OperowanieDanymiid 3913 ppt
02 Boża radość Ne MSZA ŚWIĘTAid 3583 ppt
OC 02
PD W1 Wprowadzenie do PD(2010 10 02) 1 1
02 Pojęcie i podziały prawaid 3482 ppt
WYKŁAD 02 SterowCyfrowe
wytrzymałość 2

więcej podobnych podstron