Главная » Долгий XIX век » Эпюра продольных сил. Построение эпюр продольных сил и нормальных напряжений, расчет абсолютного удлинения стержня Правила построения эпюр продольных сил

Эпюра продольных сил. Построение эпюр продольных сил и нормальных напряжений, расчет абсолютного удлинения стержня Правила построения эпюр продольных сил

Центральным растяжением (сжатием) называется такой вид деформации, при котором в поперечных сечениях бруса (стержня) возникает только продольная (нормальная) сила. Считается, что внутренняя продольная сила действует вдоль оси стержня, перпендикулярно к его поперечным сечениям. Численные значения продольных сил N определяют по участкам, используя метод сечений, составляя уравнения равновесия суммы проекций на ось бруса (z) всех сил, действующих на отсечённую часть.

Рассмотрим (рис. 1.2, а) прямой брус постоянной толщины, закреплённый одним концом и нагруженный на другом конце силой Р , направленной вдоль его оси. Под действием закрепления и внешней силы Р брус растягивается (деформируется). При этом в закреплении возникает некоторое усилие, благодаря которому верхний край брусаостаётсянеподвижным. Это усилие называют реакцией закрепления на внешнюю нагрузку. Заменим влияние закрепления на стержень эквивалентно действующей силой. Эта сила равна реакции закрепления R (рис. 1.2, б).

Р и неизвестной пока реакции R-

При построении уравнений общего равновесия механики принято следующее правило знаков: проекция усилия на ось положительна, если её направление совпадает с выбранным направлением этой оси, проекция отрицательна, если направлена в противоположную сторону.

п-п (рис. 1.2, б). n-п нормальной силы N (рис. 1.2, в). Уравнение равновесия нижней отсечённой части бруса:

График изменения продольной силы вдоль оси бруса показан на рис. 1.2, г. График, показывающий изменение продольных сил по длине оси бруса, называется эпюрой продольных сил (эпюрой N ).

Пример. Построить эпюру внутренних нормальных сил, возникающих под действием трёх внешних сил (см. рис. 1.3): Р 1 =5 кН, P 2 = 8 кН, Р 3 , = 7 кН (см. рис. 1.3, а).

Используя метод сечений, определим значения внутренней силы в характерных поперечных сечениях бруса.

Уравнение равновесия нижней отсчетной части бруса:

сечение II-II

cечение I-I

сечение III-III

ƩZ= 0; -N+ Р 1 - Р 2 + Р 3 =0 или N=Р 1 -Р 2 + Р 3 =4 кН.

Строим эпюру нормальных сил (см. рис. 1.3,б)

Продольная сила N, возникающая в поперечном сечении бруса, представляет собой равнодействующую внутренних нормальных сил, распределённых по площади поперечного сечения, и связана с возникающими в этом сечении нормальными напряжениями зависимостью

Под действием двух внешних воздействий: известной силы Р и неизвестной пока реакции R- брус находится в равновесии. Уравнение равновесия бруса

Мысленно разрежем стержень на две части по интересующему нас сечению п-п (рис. 1.2, б). Влияние на нижнюю часть верхней части представим действием на нижнюю часть в её верхнем торце п-п нормальной силы N (рис. 1.2, в). Уравнение равновесия нижней отсечённой части бруса

здесь σ - нормальное напряжение в произвольной точке поперечного сечения, принадлежащей элементарной площадке dF; F- площадь поперечного сечения бруса.

Произведение σdF=dN представляет собой элементарную внутреннюю силу, приходящуюся на площадку dF.

Значение продольной силы N в каждом частном случае легко можно определить при помощи метода сечений. Для нахождения напряжений в каждой точке поперечного сечения бруса надо знать закон их распределения по этому сечению.

Проведём на боковой поверхности бруса до его нагружения линии, перпендикулярные к оси бруса (рис. 1.4, а).

Каждую такую линию можно рассматривать как след плоскости поперечного сечения бруса. При нагружении бруса осевой силой Р эти линии, как показывает опыт, остаются прямыми и параллельными между собой (их положения после нагружения бруса показаны на рис. 1.4, б).

Это позволяет считать, что поперечные сечения бруса, плоские до его

нагружения, остаются плоскими и при действии нагрузки. Такой опыт

Рис. 1.4. Деформирование бруса

подтверждает гипотезу плоских сечений (гипотезу Бернулли).

Согласно гипотезе плоских сечений, все продольные волокна бруса растягиваются одинаково, значит их растягивают одинаковые по величине силы о dF = dN, следовательно, во всех точках поперечного сечения нормальное напряжение о имеет постоянное значение.

В поперечных сечениях бруса при центральном растяжении или сжатии возникают равномерно распределённые нормальные напряжения, равные отношению продольной силы к площади поперечного сечения .

Для наглядного изображения изменения нормальных напряжений в поперечных сечениях стержня (по его длине) строится эпюра нормальных напряжений . Осью этой эпюры является отрезок прямой, равный длине стержня и параллельный его оси. При стержне постоянного сечения эпюра нормальных напряжений имеет такой же вид, как и эпюра продольных сил (она отличается от неё лишь принятым масштабом). При стержне же переменного сечения вид этих двух эпюр различен; в частности, для стержня со ступенчатым законом изменения поперечных сечений эпюра нормальных напряжений имеет скачки не только в сечениях, в которых приложены сосредоточенные осевые нагрузки (где имеет скачки эпюра продольных сил), но и в местах изменения размеров поперечных сечений.

Решение.

1. Построение эпюры N.

На брус действуют три силы, следовательно, продольная сила по его длине будет изменяться. Разбиваем брус на участки, в пределах которых продольная сила будет постоянной. В данном случае границами участков являются сечения, в которых приложены силы. Обозначим сечения буквами А, В, С, D, начиная со свободного конца, в данном случае правого.

Для определения продольной силы на каждом участке рассматриваем произвольное поперечное сечение, сила в котором определяется по правилу, приведенному ранее. Чтобы не определять предварительно реакцию в заделке D , начинаем расчеты со свободного конца бруса А .

Участок АВ , сечение 1-1 . Справа от сечения действует растягивающая сила P 1 (рис. 15, а ). В соответствии с упомянутым ранее правилом, получаем

N AB =+P 1 =40 кН.

Участок ВС , сечение 2-2 . Справа от него расположены две силы, направленные в разные стороны. С учетом правила знаков, получим

N B С =+P 1 -P 2 =40-90=-50 кН.

Участок СD , сечение 3-3: аналогично получаем

N С D =+P 1 -P 2 -P 3 =40-90-110=-160 кН.

По найденным значениям N в выбранном масштабе строим эпюру, учитывая, что в пределах каждого участка продольная сила постоянна (рис.15,б )

Положительные значения N откладываем вверх от оси эпюры, отрицательные - вниз.

2. Построение эпюры напряжений σ .

Вычисляем напряжения в поперечном сечении для каждого участка бруса:

При вычислении нормальных напряжений значения продольных сил N берутся по эпюре с учетом их знаков. Знак плюс соответствует растяжению, минус - сжатию. Эпюра напряжений показана на рис. 15, в .

3. Построение эпюры продольных перемещений.

Для построения эпюры перемещений вычисляем абсолютные удлинения отдельных участков бруса, используя закон Гука:

Определяем перемещения сечений, начиная с неподвижного закрепленного конца. Сечение D расположено в заделке, оно не может смещаться и его перемещение равно нулю:

Сечение С переместится в результате изменения длины участка CD. Перемещение сечения С определяется по формуле

∆ C =∆l CD =-6,7∙10 -4 м.

При отрицательной (сжимающей) силе точка С сместится влево.

Перемещение сечения В является результатом изменения длин DC и CB . Складывая их удлинения, получаем

∆ B =∆l CD +∆l BC =-6,7∙10 -4 -2,1∙10 -4 = -8,8∙10 -4 м.

Рассуждая аналогично, вычисляем перемещение сечения А :

∆ A =∆l CD +∆l BC +∆l AB =-6,7∙10 -4 -2,1∙10 -4 +0,57∙10 -4 = -8,23∙10 -4 м.

В выбранном масштабе откладываем от исходной оси значения вычисленных перемещений. Соединив полученные точки прямыми линиями, строим эпюру перемещений (рис.15, г ).

4. Проверка прочности бруса.

Условие прочности записывается в следующем виде:

Максимальное напряжение σ max находим по эпюре напряжений, выбирая максимальное по абсолютной величине:

σ max =267 Мпа.

Это напряжение действует на участке DC , все сечения которого являются опасным.

Допускаемое напряжение вычисляем по формуле:

Сравнивая σ max и [σ], видим, что условие прочности не выполняется, так как максимальное напряжение превышает допускаемое.

Пример 4

Подобрать из условий прочности и жесткости размеры прямоугольного поперечного сечения чугунного стержня (см. рис. 16, а ).

Дано: F=40 кН; l =0,4 м; [σ p ]=350 Мпа; [σ с ]=800 Мпа; Е=1,2∙10 5 МПа; [∆l]=l/200; h/b=2, где h – высота, b – ширина поперечного сечения.

Рис.16

Решение.

1. Построение эпюры внутренних усилий N

Стержень разделен на 3 участка в зависимости от изменения внешней нагрузки и площади поперечного сечения. Применяя метод сечений, определяем продольную силу на каждом участке.

На участке 1: N 1 =-F=-40 кН.

На участке 2: N 2 =-F+3F=2F=80 кН.

На участке 3: N 3 =-F+3F-2F=F=40 кН.

Эпюра N приведена на рис. 16, б .

2. Построение эпюры нормальных напряжений

Найдем напряжения на участках стержня.

На участке 1:

На участке 2:

На участке 3:

Эпюра σ приведена на рис. 16, в .

3. Нахождение площади поперечного сечения из условия прочности

Наибольшие растягивающие напряжения возникают на участке 2, наибольшие сжимающие напряжения – на участке 1. Для вычисления площади поперечного сечения используем условия прочности σ max . p ≤[σ p ] и σ max .с ≤[σ с ].

Напряжения на участке 1 равны

Следовательно,

Напряжения на участке 2 равны

По условию прочности

Напряжения на участке 3 равны

Следовательно,

Необходимую площадь сечения следует принять из условия прочности при растяжении:

При заданном соотношении h/b=2 площадь поперечного сечения можно записать, как A=h∙b=2b 2 . Размеры поперечного сечения будут равны:

4. Нахождение площади поперечного сечения из условия жесткости

При расчете на жесткость следует учитывать, что перемещение в точке d будет равно сумме деформаций всех участков стержня. Величину абсолютной деформации для каждого участка найдем по формуле

или

На участке 1:

На участке 2:

На участке 3:

Абсолютная деформация всего стержня:

Из условия жесткости ∆l ≤[∆l ], найдем

, откуда

Размеры поперечного сечения будут равны:

Сопоставляя результаты расчета на прочность и жесткость, принимаем большее значение площади поперечного сечения A=2,65 см 2 .

5. Построение эпюры перемещений 𝜆

Для определения перемещения любого сечения стержня строят эпюру перемещений𝜆 . За начало отсчета принимаем сечение в заделке, так как перемещение этого сечения равно нулю. При построении эпюры последовательно определяем перемещения характерных сечений стержня, которые равны алгебраической сумме изменений длин всех участков от начала отсчета до рассматриваемого сечения.

Сечение а:

Сечение b:

Сечение с:

Сечение d:

Эпюра перемещений λ представлена на рис.16, г .

Пример 5

Для ступенчатого бруса (рис. 17, а ) при Е=2∙10 5 Мпа, σ Т = 240 МПа, требуется определить:

1. Внутренние продольные силы по его длине и построить эпюру продольных сил.

2. Нормальные напряжения в поперечных сечениях и построить эпюру нормальных напряжений.

3. Запас прочности для опасного сечения.

4. Перемещения сечений и построить эпюру перемещений.

Дано: F 1 = 30кН; F 2 = 20кН; F 3 = 60 кН; l 1 = 0,5м; l 2 = 1,5м; l 3 = 1м; l 4 = 1м; l 5 = l 6 = 1м; d 1 = 4см; d 2 = 2см.

Рис.17

Решение.

1. Определение продольных сил в характерных сечениях бруса, и построение эпюры продольных сил.

Изображаем расчетную схему (рис. 17,а ) и определяем реакцию опоры в заделке, которую направляем с внешней стороны заделки влево. Если в результате определения реакции R В окажется отрицательной, то это указывает на то, что ее направление противоположно. Ступенчатый брус под действием сил F 1 , F 2 , F 3 и реакции R В находятся в равновесии, поэтому для определения R В достаточно составить одно уравнение проекций всех сил на ось х , совпадающую с осью бруса.

ΣF ix =-F 1 -F 2 +F 3 -R B =0

Откуда R B =-F 1 -F 2 +F 3 =-30-20+60=10 кН

Разграничим брус на участки. Границами участков являются сечения, в которых приложены внешние силы, а для напряжений также и места изменения размеров поперечного сечения (рис. 17,а)

Пользуясь методом сечений, определяем для каждого участка величину и знак продольной силы. Проведем сечение 1–1 и рассмотрим равновесие правой отсеченной части бруса (рис. 17,б). Внутренние силы в каждом сечении условно направляем в сторону отброшенной части. Если внутренняя продольная сила положительна на участке, имеет место деформация растяжения; отрицательна – сжатие.

Рассматривая правую отсеченную часть, находим

ΣF ix =-N 1 -R B =0; N 1 =-R B =-10 кН (сжатие)

Значение продольной силы в пределах первого участка не зависит от того, какую из отсеченных частей мы рассматривали. Целесообразнее всегда рассматривать ту часть бруса, к которой приложено меньше сил. Проведя сечения в пределах второго, третьего и четвертого участков, аналогично найдем:

для сечения 2–2 (рис. 17,в)

ΣF ix =-N 2 +F 3 -R B =0; N 2 =F 3 -R B =60-10=50 кН (растяжение).

для сечения 3–3, рассматриваем левую часть бруса (рис. 17,г)

ΣF ix =-F 1 -N 3 =0; N 3 =F 1 =30 кН (растяжение).

для сечения 4–4 (рис. 17,д)

ΣF ix =N 4 =0; N 4 =0 эта часть бруса не испытывает деформации.

После определения внутренних продольных сил в характерных сечениях, строят график их распределения по длине бруса. График, показывающий, как изменяются продольные силы (N ) при переходе от одного сечения к другому, т.е. график, изображающий закон изменения N вдоль оси бруса, называется эпюрой продольных сил .

Эпюра продольной силы строится в следующей последовательности. В разграниченном на участки брусе провести через точки приложения внешних сил линии, перпендикулярные его оси. На некотором расстоянии от оси бруса провести линию параллельную его оси: на перпендикуляре к этой линии отложить в выбранном масштабе отрезок, соответствующий продольной силе для каждого участка: положительные вверх от оси эпюры, отрицательные – вниз. Через концы отрезков провести линии, параллельные оси. Ось эпюры проводят тонкой линией, а саму эпюру очерчивают толстыми линиями, эпюру штрихуют тонкими линиями, перпендикулярными ее оси. В масштабе каждая линия равна продольной силе в соответствующем сечении бруса. На эпюре указывают знаки плюс и минус и в характерных ее точках, где изменяется сила, проставляют ее значение. В сечениях, в которых приложены сосредоточенные силы, на эпюре имеются скачки – резкое изменение продольной силы "Скачок" продольной силы равен внешней силе, приложенной в данном сечении, что является проверкой правильности построенной эпюры. На (рис. 18,б) построена эпюра продольных сил для заданного ступенчатого бруса.

2. Определение нормальных напряжений в поперечных сечениях бруса и построение эпюры нормальных напряжений.

Нормальные напряжения на каждом участке определяем по формуле σ=N/A, подставляя в ее значение сил (в Н ) и площадей (в мм 2 ). Площади поперечных сечений бруса определяем по формуле A=πd 2 /4

Нормальные напряжения на участках I–VI равны соответственно:

I. т.к. N 4 = 0

В пределах каждого участка напряжение одинаково, так как одинаковы во всех сечениях значения продольной силы и площади поперечного сечения. Эпюра σ очерчена прямыми, параллельными ее оси. Построение по вычисленным значениям эпюры представлена на (рис. 18,в).

3. Определение запаса прочности для опасного сечения.

Из эпюры нормальных напряжений, построенной по длине бруса видно, что наибольшее напряжение возникает в пределах четвертого участка σ max =159,2 Н/мм 2 , следовательно, запас прочности

4. Определение перемещений сечений и построение эпюры перемещений.

Для построения эпюры перемещений достаточно определить перемещения крайних сечений каждого участка. Перемещение сечения определим как алгебраическую сумму деформаций участков стержня, расположенных между этим сечением и заделкой, т.е. неподвижным сечением.

Абсолютные перемещения сечений вычислим по формулам:

Эпюра продольных перемещений представлена на (рис. 18,г). В случае проверки жесткости следует сравнить полученное максимальное значение ∆l = 1,55 мм с допускаемым [∆l ] для данного бруса.

Рис.18

Пример 6

Для ступенчатого бруса (рис.19) требуется:

1. Построить эпюру продольных сил

2. Определить нормальные напряжения в поперечных сечениях и построить эпюру

3. Построить эпюру перемещений поперечных сечений.

Дано:

Рис.19

Решение.

1. Определим нормальные усилия

Участок AB :

Участок BC :

Участок CD :

Эпюра продольных сил показана на рис.20.

2. Определим нормальные напряжения

Участок AB :

Участок BC :

Участок CD :

Эпюра нормальных напряжений σ показана на рис.20.

3. Определим перемещения поперечных сечений

Эпюра перемещений δ показана на рис.20.

Рис.20

Пример 7

Для ступенчатого стального стержня (рис.21) требуется:

1. Построить эпюры продольных сил N и нормальных напряжений σ.

2. Определить продольную деформацию стержня ∆l .

Е = 2∙10 5 МПа; А 1 = 120 мм 2 ; А 2 = 80 мм 2 ; А 3 = 80 мм 2 ; а 1 = 0,1 м; а 2 = 0,2 м; а 3 = 0,2 м; F 1 = 12 кН; F 2 = 18 кН; F 3 = -12 кН.

Решение.

1. Построение эпюр N и σ

Применяем метод сечений.

Участок 1.

ΣХ = 0 → -N 1 + F 1 = 0; N 1 = F 1 = 12 кН;

Участок 2.

ΣХ = 0 → -N 2 + F 2 + F 1 = 0;

N 2 = F 2 + F 1 = 18 + 12 = 30 кН;

Участок 3

ΣХ = 0 → - N 3 - F 3 + F 2 + F 1 = 0;

N 3 = - F 3 + F 2 + F 1 = -12 + 18 + 12 = 18 кН;

2. Расчетная схема с истинным направлением внешней нагрузки и расчетными эпюрами.

Рис.21

3. Определение продольной деформации стержня

Пример 8

Для бруса, жестко заделанного обоими концами и нагруженного вдоль оси силами F 1 и F 2 приложенными в его промежуточных сечениях (рис. 22,а ), требуется

1) Построить эпюры продольных сил,

2) Построить эпюры нормальных напряжений

3) Построить эпюры перемещений поперечных сечений

4) Проверить прочность бруса.

Дано: если материал – сталь ст.3, F = 80 кН, σ т = 240 МПа, А = 4 см 2 , а = 1 м, требуемый коэффициент запаса [n ] = 1,4, Е = 2∙10 5 МПа.

Рис.22

Решение.

1. Статическая сторона задачи .

Поскольку силы F 1 и F 2 действуют вдоль оси стержня на его концах, под действием сил F 1 и F 2 в заделках могут возникнуть только горизонтальные опорные реакции R А и R В . В данном случае имеем систему сил, направленных по одной прямой (рис. 22,а ), для которой статика дает лишь одно уравнение равновесия.

ΣF ix = -R А + F 1 + F 2 – R В = 0; R А + R В = F 1 + F 2 = 3F (1)

Неизвестных реактивных сил две R А и R В , следовательно, система один раз статически неопределима, т.е. необходимо составить одно дополнительное уравнение перемещений.

2. Геометрическая сторона задачи .

Для раскрытия статической неопределимости, т.е. составления уравнения перемещений, отбросим одну из заделок, например правую (рис. 22,б ). Получаем статически определимый брус, заделанный одним концом. Такой брус называют основной системой. Действие отброшенной опоры заменяем реакцией R В = Х . В результате имеем статически определимый брус, нагруженный кроме заданных сил F 1 и F 2 неизвестной реактивной силой R В = Х . Этот статически определимый брус нагружен так же как заданный статически неопределимый, т.е. эквивалентен ему. Эквивалентность этих двух брусьев позволяет утверждать, что второй брус деформируется так же, как первый, т.е. перемещение ∆ В – сечения В равно нулю, так как фактически (в заданном брусе) оно жестко заделано: ∆ В = 0.

На основе принципа независимости действия сил (результатом действия на тело системы сил не зависит от последовательности их приложения и равен сумме результатов действия каждой силы в отдельности) перемещение сечения В представим как алгебраическую сумму перемещений от сил F 1 , F 2 и Х , т.е. уравнение совместности деформаций примет вид:

∆ B =∆ BF1 +∆ BF2 +∆ BX =0 (2)

В обозначениях перемещений первая буква индекса указывает о перемещении какого сечения идет речь; вторая – причину, вызывающую это перемещение (силы F 1 , F 2 и Х ).

3. Физическая сторона задачи .

На основании закона Гука выражаем перемещения сечения В, через действующие силы F 1 , F 2 и неизвестную реакцию Х .

На (рис. 22, в, г, д ), показаны схемы нагружения бруса каждой из сил в отдельности и перемещения сечения В от этих сил.

Пользуясь этими схемами, определяем перемещения:

равно удлинению участка АС ;

равно удлинению участков АД и ДЕ ;

равно сумме укорочений участков АД, ДК, КВ.

4. Синтез.

Подставим значения , , в уравнение (2), имеем

Следовательно:

Подставляя R В в уравнение (1), получим:

R А + 66,7 =3∙80 = 240

отсюда R А =240–66,7=173,3 кН, R А = 173,3 кН, таким образом, статическая неопределимость раскрыта – имеем статически определимый брус, заделанный одним концом, нагруженный известными силами F 1 , F 2 и Х = 66,7 кН.

Эпюру продольных сил строим как для статически определимого бруса. На основании метода сечений внутренние продольные силы в характерных участках равны:

N АС = R А = 173,3 кН;

N СЕ = R А - 2F = 173,3 - 80∙2 = 13,3 кН;

N ЕВ = -R А = - 66,7 кН.

Эпюра продольных сил представлена на (рис. 22, е ). Значения нормальных напряжений в характерных сечениях определяем по формуле

Для участка АС

для участка СД

для участка ДЕ

для участка ЕК

для участка КВ

В пределах каждого из участников напряжения постоянны, т.е. эпюра "σ" – прямая, параллельная оси бруса (рис.22, ж ).

При расчете на прочность интерес представляют те сечения, в которых возникают наибольшие напряжения. В рассмотренном примере они не совпадают с теми сечениями, в которых продольные силы максимальны, наибольшее напряжение возникает на участке ЕК , где σ мах = - 166,8 МПа.

Из условия задачи следует, что предельное напряжение для бруса

σ пред = σ т = 240 МПа, поэтому допускаемое напряжение

Отсюда следует, что расчетное напряжение σ = 166,8 МПа < 171,4 МПа, т.е. условие прочности выполняется. Разница между расчетным напряжением и допускаемым составляет:

Перегрузка или недогрузка допускается в пределах ±5%.

При построении эпюры перемещений достаточно определить перемещения сечений совпадающих с границами участков, так как между указанными сечениями эпюра ∆l имеет линейный характер. Начинаем строить эпюру перемещений от левого защемленного конца бруса, в котором ∆ А = 0; так как оно неподвижно.

Итак, на правом конце бруса в сечении В , ордината эпюры ∆l равна нулю, так как в заданном брусе это сечение жестко защемлено, по вычисленным значениям построена эпюра ∆l (рис.22, з).

Пример 9

Для составного ступенчатого бруса, состоящего из меди и стали и нагруженного сосредоточенной силой F (рис. 23,а ), определить внутренние продольные силы и построить их эпюры, если известны модули упругости материала: для стали E c , для меди E M .

Рис.23

Решение.

1. Составляют уравнение статического равновесия:

ΣZ=0;R B -F+R D =0. (1)

Задача один раз статически неопределима, поскольку обе реакции могут быть определены только из одного уравнения.

2. Условие совместности перемещений должно выразить тот факт, что общая длина бруса не меняется, т.е. перемещения, например, сечения

Используя закон Гука σ=Eε, с учетом того факта, что перемещения какого-либо поперечного сечения бруса численно равны удлинению или укорочению его участков, расположенных между заделкойBи «перемещающимся» сечениемD, преобразуют уравнение (2) к виду:

Отсюда R D =0,33F. (4)

Подставив (4) в (1), определяют

R B =F-R D =F-0,33F=0,67F. (5)

Тогда, применив метод сечений, согласно выражению N i =ΣF i , получают:

N DC =-R D ;N BC =R B .

Приняв для наглядности решения

l M =l ; l c =2l ; A M =4A C ; E C =2E M .

с учетом (4) получают N DC =-R D = -0,33F,

a с учетом (5) получают N BC =R B =0,67F.

Эпюра продольных сил N показана на рис. 16, б.

Расчет на прочность после этого выполняют согласно условию прочности

Пример 10

Брус ступенчато-переменного сечения, расчетная схема которого показана на рисунке 24, находится в условиях центрального (осевого) растяжения-сжатия под действием заданной нагрузки.

Требуется:

1) Раскрыть статическую неопределимость;

2) Построить эпюры нормальных сил и нормальных напряжений (в буквенном выражении величин);

3) Подобрать сечение бруса по условию прочности;

4) Построить эпюру продольных перемещений поперечных сечений.

Влиянием собственного веса бруса пренебречь, опорные устройства считать абсолютно жесткими.

материал – чугун, допускаемые напряжения (расчетные сопротивления):

Принять: для чугуна

Параметр Fподлежит определению из условий прочности, а параметрP при выполнении п.3 задания, принять.

Возникающие в различных поперечных сечениях стержня, неодинаковы, закон их изменения по длине стержня представляется в виде графика N(z), называемого эпюрой продольных сил . Эпюра продольных сил необходима для оценки стержня и строится для того, чтобы найти опасное сечение (поперечное сечение, в котором продольная сила принимает наибольшее значение ).

Как строить эпюру продольных сил?

Для построении эпюры N используется . Продемонстрируем его применение на примере (рис. 2.1).

Определим продольную силу N, возникающую в намеченном нами поперечном сечении .

Разрежем стержень в этом месте и мысленно отбросим нижнюю его часть (рис. 2.1, а). Далее мы должны заменить действие отброшенной части на верхнюю часть стержня внутренней продольной силой N.

Для удобства вычисления ее значения закроем рассматриваемую нами верхнюю часть стержня листком бумаги. Напомним, что N, возникающее в поперечном сечении, можно определить как алгебраическую сумму всех продольных сил, действующих на отброшенную часть стержня, то есть на ту часть стержня, которую мы видим.

При этом применяем следующее : силы, вызывающие растяжение оставленной части стержня (закрытой нами листком бумаги) входят в упомянутую алгебраическую сумму со знаком «плюс», а силы, вызывающие сжатие – со знаком «минус».

Итак, для определения продольной силы N в намеченном нами поперечном сечении необходимо просто сложить все внешние силы, которые мы видим. Так как сила кН растягивает верхнюю часть, а сила кН ее сжимает, то кН.

Знак «минус» означает, что в этом сечении стержень испытывает сжатие.

Можно найти опорную реакцию R (рис. 2.1, б) и составить уравнение равновесия для всего стержня, чтобы проверить результат.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«ПЕРЕВОЗСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

Методическая разработка учебного занятия

тема «Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений и перемещений»

Организация-разработчик: ГБОУ СПО «Перевозский строительный колледж»

Разработчик: М.Н. Кокина

Методическая разработка учебного занятия на тему «Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений и перемещений» по дисциплине «Техническая механика»/ Перевозский строит. колледж; Разр.: М.Н. Кокина. – Перевоз, 2014. –18 с.

В данной работе указаны цель учебного занятия, задачи. Подробно рассмотрен ход занятия, в приложении представлен демонстрационный и раздаточный материал. Методическая разработка написана с целью систематизации учебного материала.

Методическая разработка предназначена для преподавателей и студентов, обучающихся по специальности 270802, 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

Работа может быть использована при проведении, занятий, открытого занятия, олимпиады. Студентам может быть полезна при подготовке к зачету, экзамену.

Введение

Методическая разработка учебного занятия на тему «Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений и перемещений» по дисциплине «Техническая механика» предназначена для студентов 2 курса, специальности 270802, 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

Выбор указанной темы обусловлен тем, что данные понятия и методы являются опорной базой для целого ряда технических дисциплин.

В ходе учебного занятия использовались:

компьютерные и мультимедийные технологии;

интерактивная доска;

объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, частично-поисковый методы обучения;
раздаточные материалы.

В ходе изучения темы «Построение эпюр продольных сил, нормальных напряжений и перемещений» у обучающихся формируются следующие компетенции:

ПК 1.3.Выполнять несложные расчеты и конструирование строительных конструкций.

ОК 1 Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2 Организовывать собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3 Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4 Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5 Использовать информационно-коммуникационные технологии для совершенствования профессиональной деятельности.

ОК 6 Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7 Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий.

План-конспект открытого учебного занятия по дисциплине «Техническая механика»

Преподаватель: Кокина Марина Николаевна

Группа: 2-131, специальность 270802 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

Тема занятия: Построение эпюр продольных сил, напряжений и перемещений

Вид занятия: практическое.

Тип занятия: комбинированный урок с использованием компьютерных и мультимедийных технологий с элементами игры.

Форма проведения: работа в группах, самостоятельная работа.

Межпредметная связь: «Математика»,«Материаловедение», «Физика».

Основная цель учебного занятия: Научиться строить эпюры продольных сил, напряжений и определять перемещение для бруса при растяжении или сжатии.

Задачи учебного занятия:

Учебная:

– рассмотреть алгоритм нахождения продольной силы методом сечений и построения ее эпюры;

Научиться вычислять нормальное напряжение для растяжения или сжатия в поперечном сечении для ступенчатого бруса и строить эпюру для данного напряжения;

Научиться определять перемещение свободного конца бруса.

Развивающая:

Развитие интеллектуальных качеств обучающихся, познавательного интереса и способностей;

Развитие умения использовать полученные знания.

Воспитательная:

– формирование сознательного отношения к изучаемому материалу;

– воспитание культуры труда, формирование навыков самостоятельной работы.

Методы обучения:

Объяснительно-иллюстративный.

Репродуктивный.

Частично-поисковый.

Средства обучения:

– интерактивная доска;

– ноутбук.

Раздаточный материал:

Карточки-задания;

Учебная литература:

Олофинская, В.П. Техническая механика. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2011

Олофинская, В.П. Техническая механика. Сборник тестовых заданий. – М.: ФОРУМ, 2011

Подготовка к занятию

1.Разбить группу на две равносильные команды.

2.Выдать задания командам:

a) Выбрать капитана;

b) Придумать название команды и ее девиз;

c) Составить кроссворд по теме «Растяжение и сжатие» (10 слов);

План учебного занятия

Организационный момент (3 минуты);

Актуализация ранее полученных знаний. (12 минут);

Актуализация материала на примере решения задач (15 минут);

Закрепление материала (55 минут);

Подведение итогов и результатов занятий (5 минут);

Ход занятия

Организационный момент. (3 минуты)

1. Проверка присутствующих. Объявление темы и целей занятия. (Слайд 1)
  Представление жюри. В состав жюри входят приглашенные преподаватели. (По ходу занятия члены жюри вносят баллы в итоговую ведомость – приложение 1).
  Знакомство с командами. Визитная карточка. (5 баллов)

Актуализация ранее полученных знаний. (12 минут)

Мы изучили тему «Растяжение и сжатие прямого бруса» в разделе «Сопротивление материалов». Познакомились с основными понятиями и определениями. Изучили методику нахождения величины внутренних усилий. Рассмотрели принципы построения эпюр. Сегодня мы в течение занятия повторим эту тему, обобщим и систематизируем полученные знания, отработаем навыки вычисления внутренних усилий и напряжений и построения их эпюр. Работать будем в командах. Но, прежде, чем приступить к решению, давайте повторим теоретический материал.

Разминка (фронтальный опрос).

Сейчас мы с вами проведем небольшой блиц-опрос по теме «Растяжение и сжатие прямого бруса». Каждой команде по очереди предстоит ответить на вопросы. Право первого ответа мы разыграем с помощью интерактивного игрального кубика. Если выпадает четное число, то первой отвечает вторая команда, если нечетное – первая.

Правильный ответ – 10 баллов.

Дайте определение понятия Сопротивление материалов (Слайд 2)

Установите соответствие между понятиями и определениями (Слайд 3).

Покажите на схеме положение внутренних усилий. (Слайд 4)

Какой внутренний силовой фактор возникает при растяжении или сжатии? (Слайд 5)

Какой метод используется для определения продольной силы? (Слайд 6).

Установите порядок выполнения действий метода сечений? (Слайд 7).

Как называется диаграмма, график, показывающий изменение какой-либо величины по длине бруса. (Слайд 8).

Кто вывел данную экспериментальную формулу? (Слайд 9).

Что понимается под напряжением? (Слайд 10)

Составить формулу для определения нормального напряжения при растяжении или сжатии. (Слайд 11)

3. Актуализация материала на примере решения задач (15 минут)

Ознакомиться с примером построения эпюр продольных сил, напряжений и перемещений. (Слайд 12)

Задача 1. Двухступенчатый стальной брус нагружен силами F 1 =30 кН F 2 =40 кН.

l свободного конца бруса, приняв Е=2∙10 5 МПа. Площади поперечных сечений А 1 =1,5см 2 ;А 2 =2см 2 .

Разбить брус на участки, начиная от свободного конца. Границами участков являются сечения, в которых приложены внешние силы, а для напряжений также и место изменения размеров поперечного сечения.

Определить по методу сечений продольную силу для каждого участка (ординаты эпюры N ) и построить эпюры продольных сил N . Проведя – параллельно оси бруса базовую (нулевую) линию эпюры, отложить перпендикулярно ей в произвольном масштабе получаемые значения ординат. Через концы ординат провести линии, проставить знаки и заштриховать эпюру линиями, параллельными ординатам.

Для построения эпюры нормальных напряжений определяем напряжения в поперечных сечениях каждого из участков. В пределах каждого участка напряжения постоянные, т.е. эпюра на данном участке изображается прямой, параллельной оси бруса.

Перемещение свободного конца бруса определяем как сумму удлинений (укорочений) участков бруса, вычисленных по формуле Гука.

Разбиваем брус на участки.

Определяем ординаты эпюры N на участках бруса:

N 1 = - F 1 = -30кН

N 2 = - F 2 = -30кН

N 3 = -F 1 +F 2 = -30+40=10 кН

Строим эпюру продольных сил

Вычисляем ординаты эпюры нормальных напряжений

σ 1 ==
= –200МПа

σ 2 ==
= –150МПа

σ 3 ==
= 50МПа

Строим эпюры нормальных напряжений.

4. Проверяем прочность бруса, если допускаемое напряжение [σ ] = 160 МПа.

Выбираем максимальное по модулю расчетное напряжение. Iσ max I = 200 МПа

Подставляем в условие прочности Iσ max I ≤ [σ ]

200 МПа ≤ 160 МПа. Делаем вывод, что прочность не обеспечена.

5. Определяем перемещение свободного конца бруса Е = 2∙10 5 МПа.

∆l =∆l 1 +∆l 2 +∆l 3

∆l 1 =
=
= – 0,5мм

∆l 2 =
=
= – 0,225мм

∆l 3 =
=
= 0,05мм

∆l = - 0,5 – 0,225 + 0,05 = – 0,675мм

Брус укоротился на 0,675мм

Закрепление материала. (55 минут) (Слайд 13, Слайд 14)

Задание – эстафета (25 минут)

Двухступенчатый стальной брус нагружен силами F 1 , F 2 .

Построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений по длине бруса. Проверить прочность бруса, если допускаемое напряжение [σ ] = 160 МПа. Определить перемещение ∆l свободного конца бруса, приняв Е=2∙10 5 МПа. Площади поперечных сечений А 1 =5 см 2 ;А 2 =10 см 2 . Длина l = 0,5 м. Первая команда F 1 = 50 кН, F 2 = 30 кН. Вторая команда F 1 = 30 кН, F 2 = 50 кН.

F 1

l l l

Задание каждого этапа эстафеты – 5 баллов

1 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Разбить брус на участки. Пронумеровать эти участки.

2 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину продольной силы на первом участке.

3 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину продольной силы на втором участке.

4 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину продольной силы на третьем участке.

5 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Построить эпюру для продольной силы.

6 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину нормального напряжения на первом участке.

7 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину нормального напряжения на втором участке.

8 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Найти величину нормального напряжения на третьем участке.

9 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Построить эпюру для нормального напряжения.

10 этап эстафеты (по 1 человеку от команды)

Проверить прочность бруса. Допускаемое напряжение [σ ] = 160 МПа.

11 этап эстафеты (конкурс капитанов) – 10 баллов

Определить перемещение свободного конца бруса.

Каждой команде необходимо выполнить задание. Задания мы разыграем с помощью интерактивного игрального кубика. Если выпадает нечетное число, то первое задание достается первой команде, если четное – то второй. Второе задание автоматически переходит к другой команде. Время выполнения – 10 минут задано на интерактивном таймере. (Карточки – задания приложение 2)

Команды отгадывают кроссворд, составленный соперниками. Время разгадывания – 10 минут задано на интерактивном таймере.

Каждый правильный ответ 5 баллов.

Сочинить стихотворение со словами:

Растяжение

Сжатие

Эпюра

Сила

Прочность

Выполнение данного задания - 10 баллов.

Подведение итогов (5 минут) (Слайд 18)

Заполнить таблицу:

Я знал

Я узнал

Я хочу узнать

Пока обучающиеся заполняют таблицу, жюри подсчитывает количество баллов, набранное каждой командой.

Объявление победителей. Выставление оценок.

Спасибо за работу на занятии! (Слайд 19)

Приложения

Приложение 1.

Итоговая ведомость

Вид задания

1 команда

Название

Капитан

2 команда

Название

Капитан

Визитная карточка команды

Максимальное количество баллов - 5

Фронтальный опрос

За каждый правильный ответ

Эстафета

1 этап эстафеты