WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

1

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

Z8/4.1. Zadanie 4

Rysunek Z8/4.1 przedstawia wykresy naprężenia normalnego σX oraz stycznego τXZ w pięciu punktach przekroju prostokątnego. W punktach tych należy wyznaczyć naprężenia i kierunki główne.

1

σ

τ

X

14,30

XZ

0,0

2

7,152

1,967

Y=Ygl

3=sc

0,0

2,622

4

7,152

1,967

0,0

5

14,30 [MPa]

[MPa]

Z=Zgl

Rys. Z8/4.1. Wykresy naprężeń normalnego i stycznego w przekroju prostokątnym X

14,30 MPa

14,30 MPa

Z

Rys. Z8/4.2. Stan naprężenia w punkcie 1

Z8/4.2. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 1

Na podstawie wykresów naprężeń normalnego i stycznego przedstawionych na rysunku Z8/4.1

możemy odczytać następujące wartości naprężeń

 =0,0 MPa

Z

,

(Z8/4.1)

 =−14,30 MPa ,

(Z8/4.2)

X

 =0,0 MPa .

(Z8/4.3)

XZ

Naprężenia te tworzą tensor naprężenia w postaci Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

2

 =[−14,30 0 0

0

0 0] .

(Z8/4.4)

0

0 0

Graficzną interpretację tensora (Z8/4.4) przedstawia rysunek Z8/4.2. Ponieważ naprężenie styczne τXZ jest równe zero możemy stwierdzić, że układ ZX jest układem osi głównych a naprężenie normalne σX jest naprężeniem głównym. Tensor naprężenia (Z8/4.4) jest więc także tensorem w układzie osi głównych.

Rysunek Z8/4.3 przedstawia graficzną interpretację naprężeń głównych w punkcie 1.

X=Xgl

14,30 MPa

14,30 MPa

Z=Zgl

Rys. Z8/4.3. Naprężenia główne w punkcie 1

Z8/4.3. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 2

Na podstawie wykresów naprężeń normalnego i stycznego przedstawionych na rysunku Z8/4.1

możemy odczytać następujące wartości naprężeń

 =0,0 MPa

Z

,

(Z8/4.5)

 =−7,152 MPa ,

(Z8/4.6)

X

 =−1,967 MPa .

(Z8/4.7)

XZ

Naprężenia te tworzą tensor naprężenia w postaci

 =[−7,152 0 −1,967

0

0

0

] .

(Z8/4.8)

−1,967 0

0

1,967 MPa

X

7,152 MPa

7,152 MPa

1,967 MPa

Z

Rys. Z8/4.4. Stan naprężenia w punkcie 2

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

3

Graficzną interpretację tensora (Z8/4.8) przedstawia rysunek Z8/4.4. Zgodnie ze wzorem (8.9) tangens podwójnego kąta nachylenia osi głównych wynosi 2⋅−1,967

tg 2⋅ =

=−0,5501 .

(Z8/4.9)

gl

0,0−−7,152

Kąt nachylenia osi głównych wynosi więc

 =−14,41 ° .

(Z8/4.10)

gl

Zgodnie z wzorami (8.10) i (8.11) naprężenia główne wynoszą 0,0−7,152 0,0−−7,152

 =



⋅ cos 2⋅−14,41 °−1,967⋅ sin 2⋅−14,41 °

Zgl

2

2

,

(Z8/4.11)

 =0,5053 MPa

Zgl

0,0−7,152

0,0−−7,152



=

−

⋅ cos 2⋅−14,41 °−−1,967⋅ sin2⋅−14,41 °

Xgl

2

2

.

(Z8/4.12)



=−7,657 MPa

Xgl

Jako sprawdzenie zastosujemy wzór (8.12) 0,0−7,152

 =

±

2−1,9672=

.

(Z8/4.13)

1/2

0,0−−7,152

2

2

{0,5053 MPa

−7,657 MPa

Pierwszy niezmiennik stanu naprężenia (8.23) w układzie ZX wynosi I =0,0−7,152=−7,152 MPa

1

.

(Z8/4.14)

Pierwszy niezmiennik stanu naprężenia (8.23) w układzie osi głównych wynosi I =0,5053−7,657=−7,152 MPa 1

.

(Z8/4.15)

Jak więc widać oba niezmienniki są sobie równe. Drugi niezmiennik stanu naprężenia (8.24) w układzie ZX

oraz w układzie osi głównych wynosi

I =0,0⋅−7,152−−1,9672=−3,869 MPa 2 .

(Z8/4.16)

2

I =0,5053⋅

2

−7,657=−3,869 MPa 2 .

(Z8/4.17)

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

4

Jak więc widać oba niezmienniki są sobie równe. Tensor naprężenia w układzie osi głównych będzie miał

postać

=[−7,657 0 0

0

0

0

] .

(Z8/4.18)

0

0 0,5053

Rysunek Z8/4.5 przedstawia graficzną interpretację naprężeń głównych w punkcie 2.

aP

0,5053 M

X

7,657 MPa

Xgl

14,410

7,657 MPa

Z

Z

0,5053 MPa

gl

Rys. Z8/4.5. Naprężenia główne w punkcie 2

Z8/4.4. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 3

Na podstawie wykresów naprężeń normalnego i stycznego przedstawionych na rysunku Z8/4.1

możemy odczytać następujące wartości naprężeń

 =0,0 MPa

Z

,

(Z8/4.19)

 =0,0 MPa ,

(Z8/4.20)

X

 =−2,622 MPa .

(Z8/4.21)

XZ

Naprężenia te tworzą tensor naprężenia w postaci

 =[ 0 0 −2,622

0

0

0

] .

(Z8/4.22)

−2,622 0

0

Graficzną interpretację tensora (Z8/4.22) przedstawia rysunek Z8/4.6. Stan naprężenia na rysunku Z8/4.6

jest czystym ścinaniem, w którym wartość bezwzględna naprężeń głównych równa się wartości bezwzględnej naprężenia stycznego. Osie główne są nachylone pod kątem 450 w stosunku do układu ZX.

Wykorzystując mechanizm na rysunku 8.14 c) graficzna interpretacja naprężeń głównych będzie taka jak przedstawiona na rysunku Z8/4.7.

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

5

2,622 MPa

X

2,622 MPa

Z

Rys. Z8/4.6. Stan naprężenia w punkcie 3

2,622 MPa

2,622 MPa

X

Pa

2,622 M

2,622 M

Pa

450

Z

Rys. Z8/4.7. Naprężenia główne w punkcie 3

Tensor naprężenia w układzie osi głównych będzie miał postać

=[2,622 0 0

0

0

0

] .

(Z8/4.23)

0

0 −2,622

W tensorze (Z8/4.23) nie będziemy określać, które naprężenie główne ma indeks Zgl a które indeks Xgl.

Z8/4.5. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 4

Na podstawie wykresów naprężeń normalnego i stycznego przedstawionych na rysunku Z8/4.1

możemy odczytać następujące wartości naprężeń

 =0,0 MPa

Z

,

(Z8/4.24)

 =7,152 MPa ,

(Z8/4.25)

X

 =−1,967 MPa .

(Z8/4.26)

XZ

Naprężenia te tworzą tensor naprężenia w postaci

=[ 7,152 0 −1,967

0

0

0

] .

(Z8/4.27)

−1,967 0

0

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

6

1,967 MPa

X

7,152 MPa

7,152 MPa

1,967 MPa

Z

Rys. Z8/4.8. Stan naprężenia w punkcie 4

Graficzną interpretację tensora (Z8/4.27) przedstawia rysunek Z8/4.8. Zgodnie ze wzorem (8.9) tangens podwójnego kąta nachylenia osi głównych wynosi 2⋅−1,967

tg 2⋅ 

gl =

=0,5501 .

(Z8/4.28)

0,0−7,152

Kąt nachylenia osi głównych wynosi więc

 =14,41 ° .

(Z8/4.29)

gl

Zgodnie z wzorami (8.10) i (8.11) naprężenia główne wynoszą 0,07,152 0,0−7,152

 =



⋅ cos 2⋅14,41 °−1,967⋅ sin 2⋅14,41 °

Zgl

2

2

,

(Z8/4.30)

 =−0,5053 MPa

Zgl

0,07,152

0,0−7,152



=

−

⋅ cos 2⋅14,41 °−−1,967⋅ sin  2⋅14,41 °

Xgl

2

2

.

(Z8/4.31)



=7,657 MPa

Xgl

Jako sprawdzenie zastosujemy wzór (8.12) 0,07,152



2

.

(Z8/4.32)

1/2=

±0,0−7,152 −1,9672=

2

2

{ 7,657 MPa

−0,5053 MPa

Pierwszy niezmiennik stanu naprężenia (8.23) w układzie ZX oraz w układzie osi głównych wynosi I =0,07,152=7,152 MPa

1

.

(Z8/4.33)

I =−0,50537,657=7,152 MPa 1

.

(Z8/4.34)

Jak więc widać oba niezmienniki są sobie równe. Drugi niezmiennik stanu naprężenia (8.24) w układzie ZX

wynosi

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

7

I =0,0⋅7,152−−1,9672=−3,869 MPa 2 .

(Z8/4.35)

2

Drugi niezmiennik stanu naprężenia (8.24) w układzie osi głównych wynosi I =

2

−0,5053⋅7,657=−3,869 MPa 2 .

(Z8/4.36)

Jak więc widać oba niezmienniki są sobie równe. Tensor naprężenia w układzie osi głównych będzie miał

postać

=[7,657 0 0

0

0

0

] .

(Z8/4.37)

0

0 −0,5053

Rysunek Z8/4.9 przedstawia graficzną interpretację naprężeń głównych w punkcie 4.

0,5053 MPa

Xgl

X

7,657 MPa

14,410

7,657 MPa

0,5053 MP

Z

Zgl

a

Rys. Z8/4.9. Naprężenia główne w punkcie 4

X

14,30 MPa

14,30 MPa

Z

Rys. Z8/4.10. Stan naprężenia w punkcie 5

X=Xgl

14,30 MPa

14,30 MPa

Z=Zgl

Rys. Z8/4.11. Naprężenia główne w punkcie 5

Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

8

X

X=Xgl

1

14,30 MPa

14,30 MPa

14,30 MPa

14,30 MPa

Z

Z=Z

a

gl

P

1,967 MPa

0,5053 M

X

X

2

7,657

7,152 MPa

7,152 MPa

MPa

Xgl

14,410

7

1,967 MPa

,657 MPa

a

Z

P

Z

Zgl

2,

0,5053 M

622

Pa

2,622 MPa

MP

X

a

2,622 M

3

X

Pa

2,6

2,622 MPa

22 M

2,622 M

Pa

450

Z

0

Z

,5053 M

1,967 MPa

P

Xgl

a

X

4

X

7,152 MPa

7,152 MPa

7,657 MPa

1,967 MPa

14,410

7,657 MPa

0,5053

Z

MP

Z

Zgl

a

X

X=Xgl

5

14,30 MPa

14,30 MPa

14,30 MPa

14,30 MPa

Z

Z=Zgl

Rys. Z8/4.12. Rozkład naprężeń głównych na wysokości przekroju prostokątnego Dr inż. Janusz Dębiński

WM

Z8/4. ANALIZA STANU NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA – ZADANIE 4

9

Z8/4.6. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 5

Na podstawie wykresów naprężeń normalnego i stycznego przedstawionych na rysunku Z8/4.1

możemy odczytać następujące wartości naprężeń

 =0,0 MPa

Z

,

(Z8/4.38)

 =14,30 MPa ,

(Z8/4.39)

X

 =0,0 MPa .

(Z8/4.40)

XZ

Naprężenia te tworzą tensor naprężenia w postaci

 =[14,30 0 0

0

0 0] .

(Z8/4.41)

0

0 0

Graficzną interpretację tensora (Z8/4.41) przedstawia rysunek Z8/4.10. Ponieważ naprężenie styczne τXZ jest równe zero możemy stwierdzić, że układ ZX jest układem osi głównych a naprężenie normalne σX jest naprężeniem głównym. Tensor naprężenia (Z8/4.41) jest więc także tensorem w układzie osi głównych.

Rysunek Z8/4.11 przedstawia graficzną interpretację naprężeń głównych w punkcie 5.

Z8/4.7. Rozkład naprężeń głównych na wysokości przekroju Rysunek Z8/4.12 przedstawia rozkład naprężeń głównych na wysokości przekroju prostokątnego. Jak widać na tym rysunku główne naprężenia ściskające od punktu 1 do punktu 5 obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Ponadto ich wartości bezwzględne są coraz mniejsze. Naprężenia główne rozciągające także kręcą się zgodnie z ruchem wskazówek zegara a ich wartości bezwzględne rosną od punktu 1 do punktu 5.

Dr inż. Janusz Dębiński

Document Outline

  • Z8/4.1. Zadanie 4
  • Z8/4.2. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 1
  • Z8/4.3. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 2
  • Z8/4.4. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 3
  • Z8/4.5. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 4
  • Z8/4.6. Naprężenia i kierunek główny w punkcie 5
  • Z8/4.7. Rozkład naprężeń głównych na wysokości przekroju