background image

WYTĘŻENIE

 

Podstawowe pojęcia 

Podstawowym warunkiem jaki musi spełnić każda konstrukcja jest warunek wytrzymałości. 
Najpewniejszym sprawdzeniem jest doświadczenie: 

 

naprężenie niebezpieczne/współczynnik bezpieczeństwa = naprężenie dopuszczalne. 

Jest to możliwe w przypadku prostych przypadków wytrzymałości. Dla złożonych stanów 
naprężenia jest to niemożliwe. 

 

W przypadku gdy element (konstrukcja) obciążony jest złożonym stanem naprężenia 
istotnym jest określenie dla jakich ich wartości wejdzie on w stan niebezpieczny czyli 
należy ustalić jakie wielkości są miarą wytężenia materiału. 

Wytężenie – miara osiągnięcia stanu niebezpiecznego. 

Stan niebezpieczny - 

takie odkształcenie trwałe które uniemożliwia prawidłową pracę elementu, 

lub zniszczenie (złom) elementu. 

Stawia się hipotezę, że można utworzyć funkcję W określającą wytężenie. Jej argumentem sa 
składowe stanu naprężenia i parametry materiału: 

W=W(

1

2

3

, C, .......)

   - 

nie można jej określić doświadczalnie 

Postępuje się następująco: w prostym rozciąganiu określa się wytężenie (R

m

, R

e

) i próbuje się 

wytężenie złożonego stanu (

1

2

3

,) wyrazić przez zastępcze 

naprężenie rozciągające, twierdząc, że w obu przypadkach 
wytężenie jest jednakowe. 

 

 

 

 

red

 = W (

1

2

3

,) 

 

gdzie funkcja

 W

 

jest pewną hipotezą wytrzymałościową (wytężeniową). 

Warunek wytrzymałościowy dla złożonego stanu naprężenia: 

 

 

 

 

 

red

 

≤ k

r

  

 
 

HIPOTEZY WYTRZYMAŁOŚCIOWE 

 

Hipoteza największego naprężenia normalnego
 

 

zc

 

≤ 

1

 

≤ 

zr 

 

 

       

Powierzchnia graniczna wg tej hipotezy w płaskim 

 

zc

 

≤ 

2

 

≤ 

zr 

 

 

          

stanie naprężenia (

3

=0) jest kwadratem. 

 

zc

 

≤ 

3

 

≤ 

zr

  

 
 

Żadne z naprężeń głównych  
nie może być większe od granicy 
wytrzymałości przy jednoosiowym 
rozciąganiu 

zr

 i mniejsze od 

zc

 
 
 
 

Dopuszcza się stosowanie tej hipotezy 
w zakresie złomu rozdzielczego 

zc 

zr 

zc 

zr 

background image

Hipoteza największego wydłużenia (de Saint-Venanta)  -  miarą wytężenia jest największe 

wydłużenia właściwe. 

Warunek zachowania wytrzymałości  
wyraża się w postaci: 

 

 

 

 

 

 

  

1

 

 

zr

 

 

zr

 

– wydłużenie przy R

m

 dla 

 

2

 

 

zr 

 

 

      

jednoosiowego rozciągania 

 

3

 

 

zr

 

 

1/E

 [

1

-

(

2

+

3

)] 

itp. 

 

Ponieważ określenie 

red

 

wymaga uwzględnienia prawa Hooke’a, ogranicza to stosowanie tej 

hipotezy do materiałów sprężysto-kruchych. 
 
Hipoteza największych naprężeń stycznych  (Culomb, Tresca, Guest) – zakłada, że miarą 

wytężenia materiału jest największe naprężenie styczne. 

 
W dowolnym stanie: 

   

w prostym rozciąganiu: 

 

   

 

2

min

max

max

   

 

 

 

 

2

0

max

 

przyrównując  

 

 

 

min

max

0

 

 
Naprężenie zredukowane: 

 

   

 

 

 

 

r

red

k

min

max

 

 

równanie to rozpiszemy na 

 

 

-

zr

 

≤ 

1

-

2

 

≤ 

zr

 

6 równań, niezbędnych do  

 

 

-

zr

 

≤ 

2

-

3

 

≤ 

zr

  

wyznaczenia powierzchni   

 

 

-

zr

 

≤ 

3

-

1

 

≤ 

zr

 

granicznych. 
 
 
Dla płaskiego stanu   

3

=0

  

i kontur graniczny wygląda: 
 
 
 

 
 
 

Wyrażając naprężenia główne przez składowe dowolne 

x

y

xy

to 

 

 

2

2

2

,

1

4

2

1

2

1

xy

y

x

y

x

 

i   

2

2

4

xy

y

x

red

     a gdy  

y

=0

   

2

2

4

red

 

dla prostego ścinania: 

x

=0,  

y

=0,  

xy

=

 

 

   

 

 

 

red

= 2

 

Hipoteza opiera się na założeniu, że 

zr

 =-

zc

, można stosować ją tylko dla materiałów 

spełniających ten warunek(czyli dla materiałów w stanie sprężysto-plastycznym). 

R

R

background image

Hipoteza Mohra 
 

Wprowadzając współczynnik   

zr

zc

 

 

 

min

max

1

red

 

Mohr umożliwił zastosowanie hipotezy 

max

  

do materiałów o różnej wytrzymałości  
na rozciąganie i ściskanie. 
 
Kontur graniczny w tej hipotezie: 
 
Hipoteza energii właściwej odkształcenia czysto postaciowego (Hipoteza H-M-H) 
 
Energia odkształcenia postaciowego w ogólnym stanie naprężenia: 

 

 

2

2

2

2

2

2

6

6

1

zx

yz

xy

x

z

z

y

y

x

E

 

i w stanie jednoosiowym 

– (

x

 = 

0

, pozostałe składowe są równe zeru): 

 

 

 

 

 

2

0

2

6

1

E

 

porównując otrzymamy: 

 

 

 

2

2

2

2

2

2

6

2

1

zx

yz

xy

x

z

z

y

y

x

red

 

lub  

2

2

2

2

2

2

3

zx

yz

xy

x

z

z

y

y

x

z

y

x

red

 

lub  

 

 

r

red

k

2

1

3

2

3

2

2

2

1

2

2

 

dla płaskiego stanu naprężenia: 

 

 

2

2

2

3

xy

y

x

y

x

red

 

lub gdy  

xy

y

x

,

0

,

 

 

 

r

red

k

2

2

3

 

 

a dla ścinania 

3

red

 

 
Dla płaskiego stanu naprężenia  
konturem granicznym wg tej hipotezy 
jest elipsa opisana na konturze 
granicznym hipotezy 

max

 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

nr

 (R

e

 lub R

m

zc 

zr 

nr 

 wg hipotezy 

max

 

 wg hipotezy Hubera 

ścinanie

 

background image

 

UWAGI O STOSOWANIU HIPOTEZ WYTĘŻENIOWYCH

 

 
Głównym kryterium stosowalności hipotez jest stan materiału. 
Z hipotez dla materiałów w stanie sprężysto-plastycznym najlepszą zgodność z 
doświadczeniem wykazują hipoteza 

max 

 

 

i hipoteza Hubera, natomiast dla materiałów w 

stanie sprężysto-kruchym trudniej jest jednoznacznie wskazać hipotezę dającą najlepsze 
wyniki, bowiem wytężenie łączy się tu bezpośrednio z mechanizmem dekohezji. Próbuje się 
dla tych materiałów wykorzystywać hipotezę największego naprężenia normalnego czy też 
hipotezę największego wydłużenia, oraz zastosować elementy mechaniki pękania w której 
mechanizm dekohezji oparty jest na modelu Griffitha. 
 
Stany elastoplastyczny i elastokruchy 
są funkcję wielu parametrów 
fizycznych, w tym również i stanu 
naprężenia. Przedstawia ten problem 
wykres Friedmana (1940) 
 
Linie: 

– granica plastyczności 

war.plast. wg hip. 

max

 

– warunek złomu wg 

hip. max. wydłużenia 

– warunek złomu w stanie 

sprężysto-plastycznym 

 
 

– wytrzymałość na 3-osiowe równomierne rozciąganie  

 
dla 1) płaskie rozciąganie 

 

2) proste rozciąganie 

tg

=

/2

=1/2 

 

3

2

1

3

1

2

tg

 

 

3) skręcanie   

 

tg

=1/(1+

 
Przykłady stosowania hipotez 
 

 

rozciąganie ze skręcaniem 

    wg hipotezy Hubera  

2

0

2

2

2

3

3





W

M

A

N

s

red

 

 

zginanie ze skręcaniem 

   

dla koła  

 

W

W

d

W

d

W

2

,

32

,

16

0

3

3

0

 

   

W

M

W

M

M

W

M

W

M

red

s

g

s

g

red









2

2

2

0

2

2

2

75

,

0

3

3

 

     gdzie   

2

2

75

,

0

s

g

red

M

M

M

 

background image

KRUCHE PĘKANIE

 

Praktyka techniczna wskazuje na niedostatki kryteriów wytrzymałości opartych na hipotezach 
wytężenia – spektakularne katastrofy mostów, okrętów, rurociągów. 
Wspólne cechy: 
1. 

Pęknięcia powstałe przy naprężeniach < R

e

 

występowały nagle i prowadziły do całkowitego 

2. 

Obiekty miały duże rozmiary. 

 

 

 

 

 

 

     zniszczenia 

3. 

Wykorzystywana była w nich technologia spawania. 

4. 

Katastrofy zachodziły w temperaturach obniżonych. 

Stwierdzono,  że  warunkiem  powstania  złomu  jest  obecność  szczeliny  działającej  jako 
koncentrator stanu 

naprężenia. W pewnych warunkach stanu materiału (temperatura) i energii 

sprężystej całego obiektu, równowaga w sąsiedztwie szczeliny staje się niestateczna, następuje 
gwałtowne rozszerzanie się szczeliny, prowadzące do całkowitej utraty spójności i zniszczenia. 

A. Griffith 

jako pierwszy podał w 1921 r. model opisujący mechanizm dekohezji badając 

mechanizm pękania szkła. W nieograniczonej tarczy, o grubości jednostkowej, obciążonej 
naprężeniem jednoosiowym 

 

występuje pęknięcie o długości 2l. 

Powstanie szczeliny powoduje spadek energii 
odkształcenia sprężystego w tarczy: 

  

 

E

l

V

S

2

2

 

Do powstania szczeliny konieczna jest energia 
powierzchniowa: 
  

 

l

S

4

 

 - jednostkowa energia powierzchniowa 

Różnica energii: 

  

E

l

l

V

S

V

S

2

2

4

 

długość szczeliny 

 l

kr

  

przy której następuje jej 

rozprzestrzenianie wyznacza się z warunku: 

  

 

E

l

l

V

2

2

4

 

kr

kr

l

E

2

 

wzór Griffitha na naprężenie 

krytyczne wyprowadzone dla 
ciał o strukturze amorficznej 

 

Irwin (1958) w

prowadził wielkość 

G

  - jednostkową energię propagacji szczeliny   

G

=

E

l

2

 

wprowadzając 

2

3

m

N

l

K

 - 

intensywność naprężeń,    

wówczas 

G

=

E

K

2

 

– osiąga w chwili nieustalonego, samoistnego wzrostu pęknięcia wartość krytyczną K

C

 

zwaną wytrzymałością na pękanie. K

jest stałą materiałową podobną do R

e

, R

m

W zależności od sposobu obciążenia rozróżnia się trzy schematy zniszczenia: 

 

 

 

     II   

 

 

       III 

 

 

 

2l

kr

 

l

kr 

gdy wzrostowi 
długości szczeliny 
odpowiada spadek 

V, następuje 

pęknięcie 

K

IIIC 

K

IC 

K

IIC 

background image

WYTRZYMAŁOŚĆ ZŁOŻONA  -  PRZYKŁADY

 

Skręcanie z rozciąganiem 
Przykład
  Wał śruby okrętowej o długości l=12 [m] i średnicy d=0,1 [m], przenosi moc N=1000 

[kM], przy n=1790 [obr.min]. Ciąg śruby okrętowej wynosi P=200 [kN]. Określić 

red

 

wg hipotez mających zastosowanie do stali jako materiału wału. 

 
N

aprężenia wywołane siłą osiową P: 

]

[

10

85

,

7

4

1

,

0

4

2

3

2

2

m

d

F

 

]

[

5

,

25

10

85

,

7

10

200

3

3

MPa

F

P

N

 

Moment skręcający: 

]

[

3925

81

,

9

1790

1000

2

,

716

2

,

716

Nm

n

N

M

s

 

Naprężenie wywołane momentem skręcającym: 

 

]

[

10

196

,

0

16

1

,

0

16

3

3

3

3

0

m

d

W

 

 

]

[

20

10

196

,

0

3925

3

0

MPa

W

M

s

 

Naprężenia zredukowane: 

wg Hubera  

]

[

43

20

3

2

,

25

3

2

2

2

2

MPa

N

red

 

wg   

max

     

]

[

4

,

47

20

4

2

,

25

4

2

2

2

2

MPa

N

red

 

 
Przykład Określić maksymalne naprężenia w punktach B i C pręta stalowego ABC o przekroju 

kwadratowym, wykorzystując hipotezę 

max

Dane: P = 1 [kN], R = 20 [cm], a = 3 [cm] 

 

W dowolnym przekroju m-

n pręta: 

M

= P

·HA = PR sin

 

M

s

 = P

·HK = P(R-Rcos

)=PR(1- cos

w przekroju B  

=90

 

M

= P

·R;   

M

s

 = P

·R 

MPa

a

R

P

W

M

g

g

4

,

44

03

,

0

2

,

0

1000

6

6

3

3

max

 

MPa

a

R

P

W

M

k

s

6

,

35

03

,

0

208

,

0

2

,

0

1000

3

3

max

 

 

z tablic znajdujemy 

=0,208 

MPa

g

red

9

,

83

6

,

35

4

4

,

44

4

2

2

2

2

 

w przekroju C 

 

=180

 

M

= 0;    M

s

 = 2 P

·R 

g

 = 0;   

max

 = 2

·35,6=71,2 [MPa

MPa

red

4

,

142

2

,

71

2

2

4

2

 

 l 

 d 

 

background image

 
Skręcanie ze zginaniem 
Przykład
  Wyznaczyć wg hipotezy Hubera średnicę wału, obciążonego jak na rysunku 

n=200 obr/min 

N=100 kM 

Q

1

=0,8 kN 

Q

2

=1,2 kN 

D

1

=80 cm 

D

2

=100 cm 

k=80 MPa 

 

]

[

358

81

,

9

200

100

71620

71620

kNcm

n

N

M

s

 

2

1

1

1

t

D

M

 

kN

D

M

t

s

95

,

8

80

358

2

2

1

1

 

   

 

kN

D

M

t

s

16

,

7

100

358

2

2

2

2

 

W miejscach osadzenia kół na wał działają siły: 

R

1

=3t

1

=3·8,95=26,85 kN 

  R

2

=3t

2

=3·7,16=21,48 kN 

Rozpatrujemy zginanie w płaszczyznach xy i xz: 

x-

y    I    P’

1

=Q

1

+R

1

sin30=0,8+26,85 0,5=14,22 kN 

 

   

II    P’

2

=Q

2

+R

2

sin45=1,2+21,48 √2/2=16,39 kN 

x-

z    I    P“

1

=R

1

cos30=26,85 √3/2=23,25 kN 

 

   

II    P”

2

= -R

2

cos45= -

21,48 √2/2= -15,19 kN 

znajdujemy reakcje i budujemy wykresy Mg 

A’=27,16 kN; B’=3,45; M’

A

= -

711 kNcm; M’

C

=259 

A”=23,4 kN; B”=15,34; M”

A

= -

1163 kNcm; M”

C

=1150 

Moment gnący wypadkowy w punktach A I C: 

kNcm

M

M

M

A

A

A

1363

1163

711

"

'

2

2

2

2

 

kNcm

M

M

M

C

C

C

1178

1150

259

"

'

2

2

2

2

2

2

2

2

(max)

358

75

,

0

1363

75

,

0

s

g

red

M

M

M

 

 

 

 

 

        

kNcm

1398

 

k

d

M

W

M

red

red

red

3

32

 

 

m

k

M

d

red

12

,

0

10

80

13980

32

32

3

6

3

 

30° 

 

x-y 

 x-z 

M

g wyp 

M

M

red 

D

0,75m 

D

0,75m 

0,5m 

1150

 

259

 

711

 

P

2

’ 

A

’ 

P

1

’ 

P

2

” 

P

1

” 

B

’ 

B

” 

A

” 

1163

 

1178

 

1363

 

358

 

1218

 

1398

 

45° 

2t

t

t

2t

background image

Zginanie ze ścinaniem 
Przykład
  Belka o przekroju dwuteowym obciążona jest siłą poprzeczną T=30kN i momentem  

M

g

=15 kNm. P

rzeanalizować wytężenie w poszczególnych punktach przekroju. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Moment bezwładności całego przekroju względem osi obojętnej: 

 

   

 

 

4

8

4

3

3

10

2490

2490

6

,

17

2

,

9

20

10

12

1

m

cm

J

Z

 

Naprężenie normalne w punktach przekroju odległych o y

1

 i y

2

 

od osi obojętnej: 

 

MPa

J

y

M

Z

g

3

,

60

10

2490

1

,

0

10

15

8

3

1

max

1

 

 

MPa

J

y

M

Z

g

7

,

53

10

2490

088

,

0

10

15

8

3

2

2

 

 

0

3

 

Momenty statyczne 

 

0

1

S

 

 

 

   

 

      

 

 

3

6

3

2

10

113

113

4

,

9

2

,

1

10

m

cm

S

 

 

 

 

3

6

3

2

3

10

144

144

4

,

4

8

,

8

8

,

0

m

cm

S

S

 

Naprężenia styczne 

 

0

1

 

 

MPa

d

J

S

T

Z

Z

36

,

1

1

,

0

10

2490

10

113

10

30

8

6

3

'

2

 

 

MPa

d

J

S

T

Z

Z

17

008

,

0

10

2490

10

113

10

30

8

6

3

"

2

 

 

MPa

d

J

S

T

Z

Z

7

,

21

008

,

0

10

2490

10

144

10

30

8

6

3

3

 

Naprężenie zredukowane – materiał sprężysto-plastyczny –stosujemy hipotezę Hubera 

 

2

2

3

red

 

 

MPa

red

3

,

60

1

1

 

 

MPa

red

75

,

53

36

,

1

3

7

,

53

3

2

2

2

'

2

2

2

'

2

 

 

MPa

red

2

,

61

17

3

7

,

53

3

2

2

2

"

2

2

2

"

2

 

 

MPa

red

6

,

37

7

,

21

3

3

3

3

 

100

 

44

 

200

 

176

 

8

 

94

 

(y)

 

y

 

z

 

max

 

max

 

(y)