Оценка прочности деталей при деформации изгиба

№96-1,

технические науки

В данной статье идет речь о различных факторах, оказывающих влияние на прочностные характеристики балок при поперечном изгибе. Разобраны различные факторы, определены наиболее и наименее значимые факторы. Даны рекомендации по определению оптимальных параметров при расчете балок на прочность.

Похожие материалы

В ходе освоения обучающимися дисциплин «Механика», «Сопротивление материалов», «Прикладная механика» изучаются вопросы, связанные с проведением оценки прочностных параметров различных деталей и элементов конструкций, подвергнутых различным видам деформирования. Обычно деформации подразделяются на простые и сложные. К простым видам деформаций, в том числе, относятся и деформация изгиба.

Под деформацией изгиба мы можем понимать такой вид деформации, при котором в поперечном сечении рассматриваемой детали или элемента конструкции возникают изгибающие моменты. Чаще всего в практике объяснения учебного материала мы можем встретить вместо понятий деталь и элемент строительной конструкции понятие балка. Изгиб является достаточно распространенным видом деформаций, который часто встречается в самых разнообразных конструкциях. Например, в перекрытиях зданий и сооружений, пролетных сооружениях, во многих видах деталей мы можем встретиться не только с прямым поперечным или чистым изгибом, но и со сложными его видами. Тем не менее, каким бы не был вид деформации, включающей в себя деформацию изгиба, суть проведения прочностного расчета и перечень параметров, определяющих прочностных свойства исследуемого объекта в значительной степени не отличаются. Что же это за параметры попытаемся разобрать ниже.

Итак, на прочностные параметры балки, прежде всего, будут оказывать влияние значения внешних сил, действующих на нее. Причем в данном контексте речь не идет о величине силы, поскольку этот фактор является самим собой разумеющимся, а речь идет о месте приложения силы и характере ее распределения. Практика показывает, что наибольшую опасность для балки будет вызывать тот вариант приложения силы, в котором последняя прикладывается в середине пролета балки. (Для справки, под пролетом понимаем расстояние между соседними опорами балки). Если же сила смещена относительно середины пролета ближе к левой или правой опоре, то значения нормальных напряжений несколько снижаются, а, следовательно, будет снижаться и вероятность ее разрушения, то есть потеря прочности. Другим фактором можем считать площадь приложения нагрузки. Здесь идет речь о характере распределения нагрузки, действующей на балку. Нагрузка может действовать сконцентрировано в какой-либо точке или же может быть распределена на площади. Соответственно, чем выше площадь распределения нагрузки, тем меньше вероятность потери балкой прочности. Также следует учитывать характер приложения нагрузки с геометрической точки зрения. Сила может быть приложена к балке под прямым углом или же составлять с главной центральной осью балки какой-то угол. В таком случае сила раскладывается на соответствующие проекции. В результате этого мы увидим, что на балку теперь будут действовать различные по характеру силы — изгибающие и растягивающие. На лицо реализация сложного сопротивления — центрального растяжения и поперечного изгиба. Здесь может быть использован принцип независимости напряжений и значение эквивалентного напряжения (суммарного напряжения) находится как сумма напряжений от центрального растяжения и поперечного изгиба. Анализируя результаты расчетов, не сложно прийти к выводу, что большую опасность представляет вариант нагружения балки, в котором сила прикладывается под углом к главной центральной оси, создающая сложное сопротивление.

Разобравшись с параметром силы, действующим на балку, можем перейти к другому, не менее важному параметру — это характеристика размеров и формы поперечного сечения балки.

Что касается размеров поперечного сечения балки, то сразу следует сказать, что данный параметр не является решающим. Поскольку увеличение площади поперечного сечения балки неизбежно ведет к увеличению материалоемкости балки, а значит и такому параметру, как значение ее удельного веса. Мы можем сконструировать такую балку, которая под собственным весом разрушится, не дав возможности приложить к ней хоть какую-то нагрузку. Поэтому увеличение материалоемкости не является решающим способом повышения прочности балки, и должен использоваться такой способ с достаточной степенью осторожности. В данном разрезе необходимо, прежде всего, оперировать не увеличением площади поперечного сечения балки, а, прежде всего, выбором наиболее рационального и удобного с эксплуатационной точки зрения геометрической формы поперечного сечения балки. В практике расчетов и практического использования наиболее часто встречаются следующие геометрические формы поперечных сечений балок — это круглая форма, прямоугольная или квадратная форма, балки со стандартными профилями (швеллер, тавр, двутавр).

Выполняя прочностные расчеты балок с различными формами поперечных сечений и с такими неизменными параметрами, как длина пролета, значение приложенных нагрузок, пришли к выводу, что при одинаковой материалоемкости балок наименьшей прочность будет обладать балка круглого поперечного сечения, далее по повышению прочности можем отметить балку прямоугольной (квадратной) формы, а наибольшей прочность обладает балка, выполненная в форме двутавра. Поэтому, не учитываю технологические особенности изготовления и применения балок, можем сделать вывод о том, что рациональней при возведении строительных конструкций использовать балки, изготовленные из различного сортамента (швеллер, тавр, двутавр). Величина нормального напряжения в двутавровой балке и в круглой балке, обладающими одинаковой материалоемкостью, различается почти в два раза.

Подводя итог выше сказанному можно сделать вывод, что на прочностные характеристики балок при изгибе оказывают влияние самые различные факторы, это и вид материала, и размеры поперечного сечения, и характер приложения нагрузки, вид нагрузки, и влияние температурных параметров, но наибольшую значимость на параметр прочности оказывает форма поперечного сечения балки.

Список литературы

  1. Покровский А.А., Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Реализация информационных и профессионально-ориентированных образовательных технологий в учебном процессе. / Материалы VII Международной научно-методической конференции «Современные проблемы высшего образования». – 2015. – С. 44-49.
  2. Кропотова, Н.А., Легкова, И.А. Принципы адаптивности инженерно-технической подготовки кадров профессионального образования. // Надежность и долговечность машин и механизмов: сборник материалов IX Всероссийской научно-практической конференции, Иваново, 12 апреля 2018 г. – Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018. - С. 503-504.
  3. Горинова С. В., Кропотова, Н.А. Особенности подготовки специалистов РСЧС, работающих в сложных климатических условиях // Организация управления в РСЧС: сборник материалов научно-методического семинара. Иваново, 30 октября 2017 г. / сост. М. В. Чумаков, С. В. Найденова. – Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2017. – С. 7-11.