Чистый изгиб. Поперечный изгиб. Общие понятия Что называется плоским изгибом
При построении эпюры изгибающих моментов М у строителей принято: ординаты, выражающие в определенном масштабе положительные значения изгибающих моментов, откладывать со стороны растянутых волокон, т.е. - вниз , а отрицательные - вверх от оси балки. Поэтому говорят, что строители строят эпюры на растянутых волокнах. У механиков положительные значения и поперечной силы и изгибающего момента откладываются вверх. Механики строят эпюры на сжатых волокнах.
Главные напряжения при изгибе. Эквивалентные напряжения .
В общем случае прямого изгиба в поперечных сечениях балки возникают нормальные
и касательные
напряжения
. Эти напряжения изменяются как по длине, так и по высоте балки.
Таким образом, в случае изгиба имеет место плоское напряженное состояние.
Рассмотрим схему, где балка нагружена силой Р
Наибольшие нормальные напряжения возникают в крайних, наиболее удаленных от нейтральной линии точках, а касательные напряжения в них отсутствуют. Таким образом, для крайних волокон ненулевыми главными напряжениями являются нормальные напряжения в поперечном сечении.
На уровне нейтральной линии в поперечном сечении балки возникают наибольшие касательные напряжения, а нормальные напряжения равны нулю . значит, в волокнах нейтрального слоя главные напряжения определяются значениями касательных напряжений.
В данной расчетной схеме верхние волокна балки будут растянуты, а нижние – сжаты. Для определения главных напряжений используем известное выражение:
Полный анализ напряженного состояния представим на рисунке.
Анализ напряженного состояния при изгибе
Наибольшее главное напряжение σ 1 находится на верхних крайних волокнах и равно нулю на нижних крайних волокнах. Главное напряжение σ 3 имеет наибольшее по абсолютной величине значение на нижних волокнах.
Траектория главных напряжений зависит от типа нагрузки и способа закрепления балки.
При решении задач достаточно отдельно проверить нормальные и отдельно касательные напряжения. Однако иногда наиболее напряженными оказываются промежуточные волокна, в которых имеются и нормальные, и касательные напряжения. Это происходит в сечениях, где одновременно и изгибающий момент, и поперечная сила достигают больших значений — это может быть в заделке консольной балки, на опоре балки с консолью, в сечениях под сосредоточенной силой или в сечениях с резко меняющейся шириной. К примеру, в двутавровом сечении наиболее опасны места примыкания стенки к полке — там имеются значительные и нормальные, и касательные напряжения.
Материал находится в условиях плоского напряженного состояния и требуется проверка по эквивалентным напряжениям.
Условия прочности балок из пластичных материалов
по третьей
(теории наибольших касательных напряжений)
и четвертой
(теория энергии формоизменений) 
теориям прочности.
Как правило,в прокатных балках эквивалентные напряжения не превышают нормальных напряжений в крайних волокнах и специальной проверки не требуется. Другое дело - составные металлические балки, у которых стенка тоньше , чем у прокатных профилей при той же высоте. Чаще применяются сварные составные балки из стальных листов. Расчет подобных балок на прочность: а) подбор сечения — высоты, толщины, ширины и толщины поясов балки; б) проверка прочности по нормальным и касательным напряжениям; в) проверка прочности по эквивалентным напряжениям.
Определение касательных напряжений в двутавровом сечении . Рассмотрим сечение двутавра. S x =96,9 см 3 ; Yх=2030 см 4 ; Q=200 кН
Для определения касательного напряжения применяется формула
,где Q — поперечная сила в сечении, S x 0 – статический момент части поперечного сечения, расположенной по одну сторону от слоя, в котором определяются касательные напряжения, I x – момент инерции всего поперечного сечения, b – ширина сечения в том месте, где определяется касательное напряжение
Вычислим максимальное касательное напряжение:
Вычислим статический момент для верхней полки:
Теперь вычислим касательные напряжения:
Строим эпюру касательных напряжений:
Рассмотрим сечение стандартного профиля в виде двутавра и определим касательные напряжения , действующие параллельно поперечной силе:
Рассчитаем статические моменты
простых фигур:
Эту величину можно вычислить и иначе
, используя то обстоятельство, что для двутаврового и корытного сечения в дан статический момент половины сечения. Для этого необходимо вычесть из известной величины статического момента величину статического момента до линии А 1 В 1:
Касательные напряжения в месте примыкания полки к стенке изменяются скачкообразно , так как резко изменяется толщина стенки от t ст до b .
Эпюры касательных напряжений в стенках корытного, полого прямоугольного и других сечений имеют тот же вид, что и в случае двутаврового сечения. В формулу входит статический момент заштрихованной части сечения относительно оси Х, а в знаменателе ширина сечения (нетто) в том слое, где определяется касательное напряжение.
Определим касательные напряжения для круглого сечения.
Так как у контура сечения касательные напряжения должны быть направлены по касательной к контуру, то в точках А и В у концов какой-либо параллельной диаметру хорде АВ, касательные напряжения направлены перпендикулярно радиусам ОА и ОВ. Следовательно, направления касательных напряжений в точках А , В, К сходятся в некоторой точке Н на оси Y.
Статический момент отсеченной части:
То есть касательные напряжения меняются по параболическому закону и будут максимальны на уровне нейтральной линии, когда у 0 =0
Формула для определения касательных напряжений (формула )
Рассмотрим прямоугольное сечение
На расстоянии у 0 от центральной оси проведем сечение 1-1 и определим касательные напряжения. Статический момент площади отсеченной части:
Следует иметь в виду, что принципиально безразлично , брать статический момент площади заштрихованной или остальной части поперечного сечения. Оба статических момента равны и противоположны по знаку , поэтому их сумма, которая представляет статический момент площади всего сечения относительно нейтральной линии, а именно центральной оси х, будет равна нулю.
Момент инерции прямоугольного сечения:
Тогда касательные напряжения по формуле
Переменная у 0 входит в формулу во второй степени, т.е. касательные напряжения в прямоугольном сечении изменяются по закону квадратной параболы.
Касательные напряжения достигнут максимума на уровне нейтральной линии, т.е. когда у 0 =0:
,
где А -площадь всего сечения.
Условие прочности по касательным напряжениям имеет вид:
, где S x 0
– статический момент части поперечного сечения, расположенной по одну сторону от слоя, в котором определяются касательные напряжения, I x
– момент инерции всего поперечного сечения, b
– ширина сечения в том месте, где определяется касательное напряжение,Q
-поперечная сила, τ
— касательное напряжение, [τ]
— допускаемое касательное напряжение.
Данное условие прочности позволяет производить три вида расчета (три типа задач при расчете на прочность):
1. Проверочный расчет или проверка прочности по касательным напряжениям:
2. Подбор ширины сечения (для прямоугольного сечения):
3.Определение допускаемой поперечной силы (для прямоугольного сечения):
Для определения касательных напряжений рассмотрим балку, нагруженную силами.
Задача по определению напряжений всегда статически неопределима и требует привлечения геометрических и физических уравнений. Однако можно принять такие гипотезы о характере распределения напряжений , что задача станет статически определимой.
Двумя бесконечно близкими поперечными сечениями 1-1 и 2-2 выделим элемент dz, изобразим его в крупном масштабе, затем проведем продольное сечение 3-3.
В сечениях 1–1 и 2–2 возникают нормальные σ 1 , σ 2 напряжения , которые определяются по известным формулам:
где М — изгибающий момент в поперечном сечении, dМ — приращение изгибающего момента на длине dz
Поперечная сила в сечениях 1–1 и 2–2 направлена вдоль главной центральной оси Y и, очевидно, представляет сумму вертикальных составляющих внутренних касательных напряжений, распределенных по сечению . В сопротивлении материалов обычно принимается допущение о равномерном их распределении по ширине сечения.
Для определения величины касательных напряжений в какой-либо точке поперечного сечения, расположенного на расстоянии у 0
от нейтральной оси Х, проведем через эту точку плоскость, параллельную нейтральному слою (3-3), и вынесем отсеченный элемент. Будем определять напряжение, действующее по площадке АВСД. 
Спроецируем все силы на ось Z
Равнодействующая внутренних продольных сил по правой грани будет равна:
где А 0 – площадь фасадной грани, S x 0 – статический момент отсеченной части относительно оси Х . Аналогично на левой грани:
Обе равнодействующие направлены навстречу друг другу,
поскольку элемент находится в сжатой
зоне балки. Их разность уравновешивается касательными силами на нижней грани 3-3.
Предположим, что касательные напряжения τ
распределены по ширине поперечного сечения балки b равномерно
. Такое допущение тем вероятнее, чем меньше ширина по сравнению с высотой сечения. Тогда равнодействующая касательных сил dT
равна значению напряжений, умноженному на площадь грани:
Составим теперь уравнение равновесия Σz=0:
или, откуда
Вспомним дифференциальные зависимости
, согласно которым 
Тогда получаем формулу:
Эта формула получила название формулы . Эта формула получена в 1855 г. Здесь S x 0 – статический момент части поперечного сечения, расположенной по одну сторону от слоя, в котором определяются касательные напряжения, I x – момент инерции всего поперечного сечения, b – ширина сечения в том месте, где определяется касательное напряжение, Q -поперечная сила в сечении.
— условие прочности при изгибе,
где
- максимальный момент (по модулю) с эпюры изгибающих моментов;
- осевой момент сопротивления сечения,геометрическая
характеристика;
- допускаемое напряжение (σ adm)
- максимальное нормальное напряжение.
Если расчет ведется по методу предельных состояний ,то в расчет вместо допускаемого напряжения вводится расчетное сопротивление материала R.
Типы расчетов на прочность при изгибе
1. Проверочный
расчет или проверка прочности по нормальным напряжениям
2. Проектный
расчет или подбор сечения
3. Определение допускаемой
нагрузки (определение грузоподъемност
и или эксплуатационной несущей
способности)
При выводе формулы для вычисления нормальных напряжений рассмотрим такой случай изгиба, когда внутренние силы в сечениях балки приводятся только к изгибающему моменту , а поперечная сила оказывается равной нулю . Этот случай изгиба носит название чистого изгиба . Рассмотрим средний участок балки, подвергающийся чистому изгибу.
В нагруженном состоянии балка прогибается так,что ее нижние волокна удлиняются,а верхние укорачиваются.
Поскольку часть волокон балки растягивается, а часть сжимается, причем переход от растяжения к сжатию происходит плавно, без скачков , в средней части балки находится слой, волокна которого только искривляются, но не испытывают ни растяжения, ни сжатия. Такой слой называют нейтральным слоем. Линия, по которой нейтральный слой пересекается с поперечным сечением балки, называется нейтральной линией или нейтральной осью сечения. Нейтральные линии нанизаны на ось балки. Нейтральная линия — это линия, в которой нормальные напряжения равны нулю.
Линии, проведенные на боковой поверхности балки перпендикулярно оси, остаются плоскими при изгибе. Эти опытные данные позволяют положить в основу выводов формул гипотезу плоских сечений (гипотеза ) . Согласно этой гипотезе сечения балки плоские и перпендикулярные к ее оси до изгиба, остаются плоскими и оказываются перпендикулярными изогнутой оси балки при ее изгибе.
Допущения для вывода формул нормального напряжения: 1) Выполняется гипотеза плоских сечений. 2) Продольные волокна друг на друга не давят (гипотеза о ненадавливании) и, следовательно, каждое из волокон находится в состоянии одноосного растяжения или сжатия. 3) Деформации волокон не зависят от их положения по ширине сечения. Следовательно, и нормальные напряжения, изменяясь по высоте сечения, остаются по ширине одинаковыми. 4) Балка имеет хотя бы одну плоскость симметрии, и все внешние силы лежат в этой плоскости. 5) Материал балки подчиняется закону Гука, причем модуль упругости при растяжении и сжатии одинаков. 6) Соотношения между размерами балки таковы, что она работает в условиях плоского изгиба без коробления или скручивания.
Рассмотрим балку произвольного сечения, но имеющую ось симметрии.
Изгибающий момент
представляет собой результирующий момент внутренних нормальных сил
, возникающих на бесконечно малых площадках и может быть выражен в интегральном
виде: 
(1), где y — плечо элементарной силы относительно оси х
Формула (1) выражает статическую сторону задачи об изгибе прямого бруса, но по ней по известному изгибающему моменту нельзя определить нормальные напряжения, пока не установлен закон их распределения.
Выделим на среднем участке балки и рассмотрим участок длиной dz, подвергающийся изгибу. Изобразим его в укрупненном масштабе.
Сечения, ограничивающие участок dz, параллельны друг другу до деформации
, а после приложения нагрузки повернутся вокруг своих нейтральных линий на угол
. Длина отрезка волокон нейтрального слоя при этом не изменится
и будет равна:
, где -это радиус кривизны
изогнутой оси балки. А вот любое другое волокно, лежащее ниже или выше
нейтрального слоя, изменит свою длину
. Вычислим относительное удлинение волокон, находящихся от нейтрального слоя на расстоянии у.
Относительное удлинение — это отношение абсолютной деформации к первоначальной длине,тогда:
Сократим на и приведем подобные члены, тогда получим:(2) Эта формула выражает геометрическую сторону задачи о чистом изгибе: деформации волокон прямо пропорциональны их расстояниям до нейтрального слоя.
Теперь перейдем к напряжениям
, т.е. будем рассматривать физическую
сторону задачи. в соответствии с допущением о ненадавливании
волокон используем при осевом растяжении-сжатии:, тогда с учетом формулы (2)
имеем
(3),
т.е. нормальные напряжения
при изгибе по высоте сечения распределяются по линейному закону
. На крайних волокнах нормальные напряжения достигают максимального значения, а в центре тяжести сечения равны нулю. Подставим (3)
в уравнение (1)
и вынесем за знак интеграла дробь как постоянную величину, тогда имеем
. Но выражение - это осевой момент инерции сечения относительно оси х - I х
.
Его размерность см 4 , м 4
Тогда
,откуда
(4) ,где - это кривизна изогнутой оси балки, а - жесткость сечения балки при изгибе.
Подставим полученное выражение кривизны (4)
в выражение (3)
и получим формулу для вычисления нормальных напряжений в любой точке поперечного сечения:
(5)
Т.о. максимальные
напряжения возникают в точках, наиболее удаленных от нейтральной линии.
Отношение (6)
называют осевым моментом сопротивления сечения
. Его размерность см 3 , м 3
. Момент сопротивления характеризует влияние формы и размеров поперечного сечения на величину напряжений.
Тогда максимальные напряжения: 
(7)
Условие прочности при изгибе: (8)
При поперечном изгибе действуют не только нормальные, но и касательные напряжения ,т.к. имеется поперечная сила . Касательные напряжения усложняют картину деформирования , они приводят к искривлению поперечных сечений балки, в результате чего нарушается гипотеза плоских сечений . Однако исследования показывают, что искажения, которые привносят касательные напряжения, незначительно влияют на нормальные напряжения,подсчитанные по формуле (5) . Таким образом,при определении нормальных напряжений в случае поперечного изгиба теория чистого изгиба вполне применима.
Нейтральная линия. Вопрос о положении нейтральной линии.
При изгибе отсутствует продольная сила, поэтому можно записать 
Подставим сюда формулу нормальных напряжений (3)
и получим
Так как модуль продольной упругости материала балки не равняется нулю и изогнутая ось балки имеет конечный радиус кривизны, остается положить, что этот интеграл представляет собой статический момент площади
поперечного сечения балки относительно нейтральной линии-оси х 
, и, поскольку он равен нулю, то нейтральная линия проходит через центр тяжести сечения.
Условие (отсутствие момента внутренних сил относительно силовой линии) даст
или с учетом (3)
. По тем же соображениям (см. выше) 
. В подынтегральном выражении — центробежный момент инерции сечения относительно осей х и у равен нулю
, значит, эти оси являются главными и центральными
и составляют прямой
угол. Следовательно, силовая и нейтральная линии пр прямом изгибе взаимно перпендикулярны.
Установив положение нейтральной линии , несложно построить эпюру нормальных напряжений по высоте сечения. Ее линейный характер определяется уравнением первой степени.
Характер эпюры σ для симметричных сечений относительно нейтральной линии, М<0
Общие
понятия.
Деформация изгиба заключается в искривлении оси прямого стержня или в изменении начальной кривизны прямого стержня (рис. 6.1) . Ознакомимся с основными понятиями, которые используются при рассмотрении деформации изгиба.
Стержни, работающие на изгиб, называют балками .
Чистым называется изгиб, при котором изгибающий момент является единственным внутренним силовым фактором, возникающем в поперечном сечении балки.
Чаще, в поперечном сечении стержня наряду с изгибающим моментом возникает также и поперечная сила. Такой изгиб называют поперечным.
Плоским (прямым) называют изгиб, когда плоскость действия изгибающего момента в поперечном сечении проходит через одну из главных центральных осей поперечного сечения.
При косом изгибе плоскость действия изгибающего момента пересекает поперечное сечение балки по линии, не совпадающей ни с одной из главных центральных осей поперечного сечения.
Изучение деформации изгиба начнем со случая чистого плоского изгиба.
Нормальные напряжения и деформации при чистом изгибе.
Как уже было сказано, при чистом плоском изгибе в поперечном сечении из шести внутренних силовых факторов не равен нулю только изгибающий момент (рис. 6.1, в):
; (6.1)
Опыты, поставленные на эластичных моделях, показывают, что если на поверхность модели нанести сетку линий (рис. 6.1, а) , то при чистом изгибе она деформируется следующим образом (рис. 6.1, б) :
а) продольные линии искривляются по длине окружности;
б) контуры поперечных сечений остаются плоскими;
в) линии контуров сечений всюду пересекаются с продольными волокнами под прямым углом.
На основании этого можно предположить, что при чистом изгибе поперечные сечения балки остаются плоскими и поворачиваются так, что остаются нормальными к изогнутой оси балки (гипотеза плоских сечений при изгибе).
Рис. .
Замеряя длину продольных линий (рис. 6.1, б), можно обнаружить, что верхние волокна при деформации изгиба балки удлиняются, а нижние укорачиваются. Очевидно, что можно найти такие волокна, длина которых остается неизменной. Совокупность волокон, не меняющих своей длины при изгибе балки, называется нейтральным слоем (н. с.) . Нейтральный слой пересекает поперечное сечение балки по прямой, которая называется нейтральной линией (н. л.) сечения .
Для вывода формулы, определяющей величину нормальных напряжений, возникающих в поперечном сечении, рассмотрим участок балки в деформированном и не деформированном состоянии (рис. 6.2).
Рис. .
Двумя бесконечно малыми поперечными сечениями выделим элемент длиной. До деформации сечения, ограничивающие элемент, были параллельны между собой (рис. 6.2, а), а после деформации они несколько наклонились, образуя угол. Длина волокон, лежащих в нейтральном слое, при изгибе не меняется. Обозначим радиус кривизны следа нейтрального слоя на плоскости чертежа буквой. Определим линейную деформацию произвольного волокна, отстоящего на расстоянии от нейтрального слоя.
Длина этого волокна после деформации (длина дуги) равна. Учитывая, что до деформации все волокна имели одинаковую длину, получим, что абсолютное удлинение рассматриваемого волокна
Его относительная деформация
Очевидно, что, так как длина волокна, лежащего в нейтральном слое не изменилась. Тогда после подстановки получим
(6.2)
Следовательно, относительная продольная деформация пропорциональна расстоянию волокна от нейтральной оси.
Введем предположение, что при изгибе продольные волокна не надавливают друг на друга. При таком предположении каждое волокно деформируется изолировано, испытывая простое растяжение или сжатие, при котором. С учетом (6.2)
, (6.3)
т. е. нормальные напряжения прямо пропорциональны расстояниям рассматриваемых точек сечения от нейтральной оси.
Подставим зависимость (6.3) в выражение изгибающего момента в поперечном сечении (6.1)
Вспомним, что интеграл представляет собой момент инерции сечения относительно оси
Или
(6.4)
Зависимость (6.4) представляет собой закон Гука при изгибе, поскольку она связывает деформацию (кривизну нейтрального слоя) с действующим в сечении моментом. Произведение носит название жесткости сечения при изгибе, Н· м 2 .
Подставим (6.4) в (6.3)
(6.5)
Это и есть искомая формула для определения нормальных напряжений при чистом изгибе балки в любой точке ее сечения.
Для того, чтобы установить, где в поперечном сечении находится нейтральная линия подставим значение нормальных напряжений в выражение продольной силы и изгибающего момента
Поскольку,
то
(6.6)
(6.7)
Равенство (6.6) указывает, что ось нейтральная ось сечения проходит через центр тяжести поперечного сечения.
Равенство (6.7) показывает что и - главные центральные оси сечения.
Согласно (6.5) наибольшей величины напряжения достигают в волокнах наиболее удаленных от нейтральной линии
Отношение представляет собой осевой момент сопротивления сечения относительно его центральной оси, значит
Значение для простейших поперечных сечений следующее:
Для прямоугольного поперечного сечения
, (6.8)
где - сторона сечения перпендикулярная оси;
Сторона сечения параллельная оси;
Для круглого поперечного сечения
, (6.9)
где - диаметр круглого поперечного сечения.
Условие прочности по нормальным напряжениям при изгибе можно записать в виде
(6.10)
Все полученные формулы получены для случая чистого изгиба прямого стержня. Действие же поперечной силы приводит к тому, что гипотезы, положенные в основу выводов, теряют свою силу. Однако практика расчетов показывает, что и при поперечном изгибе балок и рам, когда в сечении кроме изгибающего момента действует еще продольная сила и поперечная сила, можно пользоваться формулами, приведенными для чистого изгиба. Погрешность при этом получается незначительной.
Определение поперечных сил и изгибающих моментов.
Как уже было сказано, при плоском поперечном изгибе в поперечном сечении балки возникают два внутренних силовых фактора и.
Перед определением и определяют реакции опор балки (рис. 6.3, а), составляя уравнения равновесия статики.
Для определения и применим метод сечений. В интересующем нас месте сделаем мысленный разрез балки, например, на расстоянии от левой опоры. Отбросим одну из частей балки, например правую, и рассмотрим равновесие левой части (рис. 6.3, б). Взаимодействие частей балки заменим внутренними усилиями и.
Установим следующие правила знаков для и:
- Поперечная сила в сечении положительна, если ее векторы стремятся вращать рассматриваемое сечение по часовой стрелке ;
- Изгибающий момент в сечении положителен, если он вызывает сжатие верхних волокон.
Рис. .
Для определения данных усилий используем два уравнения равновесия:
1. ; ; .
2. ;
Таким образом,
а) поперечная сила в поперечном сечении балки численно равна алгебраической сумме проекций на поперечную ось сечения всех внешних сил, действующих по одну сторону от сечения;
б) изгибающий момент в поперечном сечении балки численно равен алгебраической сумме моментов (вычисленных относительно центра тяжести сечения) внешних сил, действующих по одну сторону от данного сечения.
При практическом вычислении руководствуются обычно следующим:
- Если внешняя нагрузка стремится повернуть балку относительно рассматриваемого сечения по часовой стрелке, (рис. 6.4, б) то в выражении для она дает положительное слагаемое.
- Если внешняя нагрузка создает относительно рассматриваемого сечения момент, вызывающий сжатие верхних волокон балки (рис. 6.4, а), то в выражении для в этом сечении она дает положительное слагаемое.
Рис. .
Построение эпюр и в балках.
Рассмотрим двухопорную балку (рис. 6.5, а) . На балку действует в точке сосредоточенный момент, в точке - сосредоточенная сила и на участке - равномерно распределенная нагрузка интенсивностью.
Определим опорные реакции и (рис. 6.5, б) . Равнодействующая распределенной нагрузки равна, а линия действия ее проходит через центр участка. Составим уравнения моментов относительно точек и.
Определим поперечную силу и изгибающий момент в произвольном сечений, расположенном на участке на расстоянии от точки А (рис. 6.5, в) .
(рис. 6.5, г). Расстояние может изменяться в пределах ().
Значение поперечной силы не зависит от координаты сечения, следовательно, во всех сечениях участка поперечные силы одинаковы и эпюра имеет вид прямоугольника. Изгибающий момент
Изгибающий момент изменяется по линейному закону. Определим ординаты эпюры для границ участка.
Определим поперечную силу и изгибающий момент в произвольном сечений, расположенном на участке на расстоянии от точки (рис. 6.5, д). Расстояние может изменяться в пределах ().
Поперечная сила изменяется по линейному закону. Определим для границ участка.
Изгибающий момент
Эпюра изгибающих моментов на этом участке будет параболической.
Чтобы определить экстремальное значение изгибающего момента, приравниваем к нулю производную от изгибающего момента по абсциссе сечения:
Отсюда
Для сечения с координатой значение изгибающего момента будет составлять
В результате получаем эпюры поперечных сил (рис. 6.5, е) и изгибающих моментов (рис. 6.5, ж).
Дифференциальные зависимости при изгибе.
(6.11)
(6.12)
(6.13)
Эти зависимости позволяют установить некоторые особенности эпюр изгибающих моментов и поперечных сил:
Н а участках, где нет распределенной нагрузки, эпюры ограничены прямыми, параллельными нулевой линии эпюры, а эпюры в общем случае наклонными прямыми .
Н а участках, где к балке приложена равномерно распределенная нагрузка, эпюра ограничена наклонными прямыми, а эпюра - квадратичными параболами с выпуклостью, обращенной в сторону, противоположную направлению действия нагрузки .
В сечениях, где, касательная к эпюре параллельна нулевой линии эпюры .
Н а участках, где, момент возрастает; на участках, где, момент убывает .
В сечениях, где к балке приложены сосредоточенные силы, на эпюре будут скачки на величину приложенных сил, а на эпюре будут переломы .
В сечениях, где к балке приложены сосредоточенные моменты, на эпюре будут скачки на величину этих моментов.
Ординаты эпюры пропорциональны тангенсу угла наклона касательной к эпюре.
Для наглядного представления характера деформации брусьев (стержней) при изгибе проводится следующий опыт. На боковые грани резинового бруса прямоугольного сечения наносится сетка линий, параллельных и перпендикулярных оси бруса (рис. 30.7, а). Затем к брусу по его концам прикладываются моменты (рис. 30.7, б), действующие в плоскости симметрии бруса, пересекающей каждое его поперечное сечение по одной из главных центральных осей инерции. Плоскость, проходящая через ось бруса и одну из главных центральных осей инерции каждого его поперечного сечения, будем называть главной плоскостью.
Под действием моментов брус испытывает прямой чистый изгиб. В результате деформации, как показывает опыт, линии сетки, параллельные оси бруса, искривляются, сохраняя между собой прежние расстояния. При указанном на рис. 30.7, б направлении моментов эти линии в верхний части бруса удлиняются, а в нижней - укорачиваются.
Каждую линию сетки, перпендикулярную к оси бруса, можно рассматривать как след плоскости некоторого поперечного сечения бруса. Так как эти линии остаются прямыми, то можно предполагать, что поперечные сечения бруса, плоские до деформации, остаются плоскими и в процессе деформации.
Это предположение, основанное на опыте, как известно, носит название гипотезы плоских сечений, или гипотезы Бернулли (см. § 6.1).
Гипотеза плоских сечений применяется не только при чистом, но и при поперечном изгибе. Для поперечного изгиба она является приближенной, а для чистого изгиба строгой, что подтверждается теоретическими исследованиями, проведенными методами теории упругости.
Рассмотрим теперь прямой брус с поперечным сечением, симметричным относительно вертикальной оси, заделанный правым концом и нагруженный на левом конце внешним моментом действующим в одной из главных плоскостей бруса (рис. 31.7). В каждом поперечном сечении этого бруса возникают только изгибающие моменты действующие в той же плоскости, что и момент
Таким образом, брус на всем своем протяжении находится в состоянии прямого чистого изгиба. В состоянии чистого изгиба могут находиться отдельные участки балки и в случае действия на нее поперечных нагрузок; например, чистый изгиб испытывает участок 11 балки, изображенной на рис. 32.7; в сечениях этого участка поперечная сила
Выделим из рассматриваемого бруса (см. рис. 31.7) двумя поперечными сечениями элемент длиной . В результате деформации, как это следует из гипотезы Бернулли, сечения останутся плоскими, но наклонятся по отношению друг к другу на некоторый угол Примем левое сечение условно за неподвижное. Тогда в результате поворота правого сечения на угол оно займет положение (рис. 33.7).
Прямые пересекутся в некоторой точке А, которая является центром кривизны (или, точнее, следом оси кривизны) продольных волокон элемента Верхние волокна рассматриваемого элемента при показанном на рис. 31.7 направлении момента удлиняются, а нижние укорачиваются. Волокна же некоторого промежуточного слоя перпендикулярного к плоскости действия момента сохраняют свою длину. Этот слой называется нейтральным слоем.
Обозначим радиус кривизны нейтрального слоя, т. е. расстояние от этого слоя до центра кривизны А (см. рис. 33.7). Рассмотрим некоторый слой расположенный на расстоянии у от нейтрального слоя. Абсолютное удлинение волокон этого слоя равно а относительное
Рассматривая подобные треугольники устанавливаем, что Следовательно,
В теории изгиба предполагается, что продольные волокна бруса не давят друг на друга. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что это предположение не влияет существенно на результаты расчета.
При чистом изгибе в поперечных сечениях бруса не возникают касательные напряжения. Таким образом, все волокна при чистом изгибе находятся в условиях одноосного растяжения или сжатия.
По закону Гука для случая одноосного растяжения или сжатия нормальное напряжение о и соответствующая относительная деформация связаны зависимостью
или на основании формулы (11.7)
Из формулы (12.7) следует, что нормальные напряжения в продольных волокнах бруса прямо пропорциональны их расстояниям у от нейтрального слоя. Следовательно, в поперечном сечении бруса в каждой его точке нормальные напряжения пропорциональны расстоянию у от этой точки до нейтральной оси, представляющей собой линию пересечения нейтрального слоя с поперечным сечением (рис.
34.7, а). Из симметрии бруса и нагрузки следует, что нейтральная ось горизонтальна.
В точках нейтральной оси нормальные напряжения равны нулю; по одну сторону от нейтральной оси они растягивающие, а по другую - сжимающие.
Эпюра напряжений о представляет собой график, ограниченный прямой линией, с наибольшими по абсолютной величине значениями напряжений для точек, наиболее удаленных от нейтральной оси (рис. 34.7,б).
Рассмотрим теперь условия равновесия выделенного элемента бруса. Действие левой части бруса на сечение элемента (см. рис. 31.7) представим в виде изгибающего момента остальные внутренние усилия в этом сечении при чистом изгибе равны нулю. Действие правой части бруса на сечение элемента представим в виде элементарных сил о приложенных к каждой элементарной площадке поперечного сечения (рис. 35.7) и параллельных оси бруса.
Составим шесть условий равновесия элемента
Здесь - суммы проекций всех сил, действующих на элемент соответственно на оси - суммы моментов всех сил относительно осей (рис. 35.7).
Ось совпадает с нейтральной осью сечения а ось у перпендикулярна к ней; обе эти оси расположены в плоскости поперечного сечения
Элементарная сила не дает проекций на оси у и и не вызывает момента относительно оси Поэтому уравнения равновесия удовлетворяются при любых значениях о.
Уравнение равновесия имеет вид
Подставим в уравнение (13.7) значение а по формуле (12.7):
Так как (рассматривается изогнутый элемент бруса, для которого ), то
Интеграл представляет собой статический момент поперечного сечения бруса относительно нейтральной оси . Равенство его нулю означает, что нейтральная ось (т. е. ось ) проходит через центр тяжести поперечного сечения. Таким образом, центр тяжести всех поперечных сечений бруса, а следовательно, и ось бруса, являющаяся геометрическим местом центров тяжести, расположены в нейтральном слое. Следовательно, радиус кривизны нейтрального слоя является радиусом кривизны изогнутой оси бруса.
Составим теперь уравнение равновесия в виде суммы моментов всех сил, приложенных к элементу бруса, относительно нейтральной оси :
Здесь представляет собой момент элементарной внутренней силы относительно оси .
Обозначим площадь части поперечного сечения бруса, расположенной над нейтральной осью, - под нейтральной осью.
Тогда представит собой равнодействующую элементарных сил приложенных выше нейтральной оси, ниже нейтральной оси (рис. 36.7).
Обе эти равнодействующие равны друг другу по абсолютной величине, так как их алгебраическая сумма на основании условия (13.7) равна нулю. Эти равнодействующие образуют внутреннюю пару сил, действующую в поперечном сечении бруса. Момент этой пары сил, равный т. е. произведению величины одной из них на расстояние между ними (рис. 36.7), представляет собой изгибающий момент в поперечном сечении бруса.
Подставим в уравнение (15.7) значение а по формуле (12.7):
Здесь представляет собой осевой момент инерции , т. е. оси, проходящей через центр тяжести сечения. Следовательно,
Подставим значение из формулы (16.7) в формулу (12.7):
При выводе формулы (17.7) не учтено, что при внешнем моменте направленном, как это показано на рис. 31.7, согласно принятому правилу знаков, изгибающий момент является отрицательным. Если учесть это, то перед правой частью формулы (17.7) необходимо поставить знак «минус». Тогда при положительном изгибающем моменте в верхней зоне бруса (т. е. при ) значения а получатся отрицательными, что укажет на наличие в этой зоне сжимающих напряжений. Однако обычно знак «минус» в правой части формулы (17.7) не ставится, а эта, формула используется лишь для определения абсолютных значений напряжений а. Поэтому в формулу (17.7) следует подставлять абсолютные значения изгибающего момента и ординаты у. Знак же напряжений всегда легко устанавливается по знаку момента или по характеру деформации балки.
Составим теперь уравнение равновесия в виде суммы моментов всех сил, приложенных к элементу бруса, относительно оси у:
Здесь представляет собой момент элементарной внутренней силы относительно оси у (см. рис. 35.7).
Подставим в выражение (18.7) значение а по формуле (12.7):
Здесь интеграл представляет собой центробежный момент инерции поперечного сечения бруса относительно осей у и . Следовательно,
Но так как
Как известно (см. § 7.5), центробежный момент инерции сечения равен нулю относительно главных осей инерции.
В рассматриваемом случае ось у является осью симметрии поперечного сечения бруса и, следовательно, оси у и являются главными центральными осями инерции этого сечения. Поэтому условие (19.7) здесь удовлетворяется.
В случае, когда поперечное сечение изгибаемого бруса не имеет ни одной оси симметрии, условие (19.7) удовлетворяется, если плоскость действия изгибающего момента проходит через одну из главных центральных осей инерции сечения или параллельна этой оси.
Если плоскость действия изгибающего момента не проходит ни через одну из главных центральных осей инерции поперечного сечения бруса и не параллельна ей, то условие (19.7) не удовлетворяется и, следовательно, нет прямого изгиба - брус испытывает косой изгиб.
Формула (17.7), определяющая нормальное напряжение в произвольной точке рассматриваемого сечения бруса, применима при условии, что плоскость действия изгибающего момента проходит через одну из главных осей инерции этого сечения или ей параллельна. При этом нейтральная ось поперечного сечения является его главной центральной осью инерции, перпендикулярной к плоскости действия изгибающего момента.
Формула (16.7) показывает, что при прямом чистом изгибе кривизна изогнутой оси бруса прямо пропорциональна произведению модуля упругости Е на момент инерции Произведение будем называть жесткостью сечения при изгибе; она выражается в и т. д.
При чистом изгибе балки постоянного сечения изгибающие моменты и жесткости сечений постоянны по ее длине. В этом случае радиус кривизны изогнутой оси балки имеет постоянное значение [см. выражение (16.7)], т. е. балка изгибается по дуге окружности.
Из формулы (17.7) следует, что наибольшие (положительные - растягивающие) и наименьшие (отрицательные-сжимающие) нормальные напряжения в поперечном сечении бруса возникают в точках, наиболее удаленных от нейтральной оси, расположенных по обе стороны от нее. При поперечном сечении, симметричном относительно нейтральной оси, абсолютные величины наибольших растягивающих и сжимающих напряжений одинаковы и их можно определить по формуле
Для сечений, не симметричных относительно нейтральной оси, например для треугольника, тавра и т. п., расстояния от нейтральной оси до наиболее удаленных растянутых и сжатых волокон различны; поэтому для таких сечений имеются два момента сопротивления:
где - расстояния от нейтральной оси до наиболее удаленных растянутых и сжатых волокон.
Силы, действующие перпендикулярно к оси бруса и расположенные в плос-кости, проходящей через эту ось, вызывают деформацию, называемую попереч-ным изгибом . Если плоскость действия упомянутых сил – главная плоскость, то имеет место прямой (плоский) поперечный изгиб. В противном случае изгиб называется косым поперечным. Брус, подверженный преимущественно изгибу, называется балкой 1 .
По существу поперечный изгиб есть сочетание чистого изгиба и сдвига. В связи с искривлением поперечных сечений из-за неравномерности распределе-ния сдвигов по высоте возникает вопрос о возможности применения формулы нормального напряжения σ х , выведенной для чистого изгиба на основании гипотезы плоских сечений.
1 Однопролетная балка, имеющая по концам соответственно одну цилиндрическую неподвижную опору и одну цилиндрическую подвижную в направлении оси балки, называется простой . Балка с одним защемленным и другим свободным концом называется консолью . Простая балка, имеющая одну или две части, свешивающиеся за опору, называется консольной .
Если, кроме того, сечения взяты далеко от мест приложения нагрузки (на расстоянии, не меньшем половины высоты сечения бруса), то можно, как и в случае чистого изгиба, считать, что волокна не оказывают давления друг на друга. Значит, каждое волокно испытывает одноосное растяжение или сжатие.
При действии распределенной нагрузки поперечные силы в двух смежных сечениях будут отличаться на величину, равную qdx . Поэтому искривления сечений будут также несколько отличаться. Кроме того, волокна будут оказывать давление друг на друга. Тщательное исследование вопроса показывает, что если длина бруса l достаточно велика по сравнению с его высотой h (l / h > 5), то и при распределенной нагрузке указанные факторы не оказывают существенного влияния на нормальные напряжения в поперечном сечении и потому в практических расчетах могут не учитываться.
а б в
Рис. 10.5 Рис. 10.6
В сечениях под сосредоточенными грузами и вблизи них распределение σ х отклоняется от линейного закона. Это отклонение, носящее местный характер и не сопровождающееся увеличением наибольших напряжений (в крайних волокнах), на практике обычно не принимают во внимание.
Таким образом, при поперечном изгибе (в плоскости ху ) нормальные напряжения вычисляются по формуле
σ х = – [М z (x )/I z ]y .
Если проведем два смежных сечения на участке бруса, свободном от нагрузки, то поперечная сила в обоих сечениях будет одинакова, а значит, одинаково и искривление сечений. При этом какой-либо отрезок волокна ab (рис.10.5) переместится в новое положение a"b" , не претерпев дополнительного удлинения, и следовательно, не меняя величину нормального напряжения.
Определим касательные напряжения в поперечном сечении через парные им напряжения, действующие в продольном сечении бруса.
Выделим из бруса элемент длиной dx (рис. 10.7 а). Проведём горизонта-льное сечение на расстоянии у от нейтральной оси z , разделившее элемент на две части (рис. 10.7) и рассмотрим равновесие верхней части, имеющей основа-
ние шириной b . В соответствии с законом парности касательных напряжений, напряжения действующие в продольном сечении равны напряжениям, действующим в поперечном сечении. С учётом этого в предположении о том, что касательные напряжения в площадке b распределены равномерно ис-пользуем условие ΣХ = 0, получим:
N * - (N * +dN *)+
где: N * - равнодействующая нормальных сил σв левом поперечном сече-нии элемента dx в пределах “отсечённой” площадки А * (рис. 10.7 г):
где: S=- статический момент “отсечённой” части поперечного сече-ния (заштрихованная площадь на рис. 10.7 в). Следовательно, можно записать:
Тогда можно записать:
Эта формула была получена в XIX веке русским ученым и инженером Д.И. Журавским и носит его имя. И хотя эта формула приближенная, так как усредняет напряжение по ширине сечения, но полученные результаты расчета по ней, неплохо согласуются с экспериментальными данными.
Для того, чтобы определить касательные напряжения в произвольной точке сечения отстоящей на расстоянии y от оси z следует:
Определить из эпюры величину поперечной силы Q, действующей в сечении;
Вычислить момент инерции I z всего сечения;
Провести через эту точку плоскость параллельную плоскости xz и определить ширину сечения b ;
Вычислить статический момент отсеченной площади Sотносительно главной центральной оси z и подставить найденные величины в формулу Жура-вского.
Определим в качестве примера касательные напряжения в прямоуголь-ном поперечном сечении (рис. 10.6, в). Статический момент относительно оси z части сечения выше линии 1-1, на которой определяется напряжения запишем в виде:
Он изменяется по закону квадратной параболы. Ширина сечения в для прямоугольного бруса постоянна, то параболическим будет и закон изменения касательных напряжений в сечении (рис.10.6, в). При y =и у = − каса-тельные напряжения равны нулю, а на нейтральной оси z они достигают наибольшего значения.
Для балки круглого поперечного сечения на нейтральной оси имеем.
Чистым изгибом называется такой вид изгиба, при котором имеет место действие только изгибающего момента (рис. 3.5, а). Мысленно проведем плоскость сечения I-I перпендикулярно продольной оси балки на расстоянии * от свободного конца балки, к которому приложен внешний момент m z . Осуществим действия, аналогичные тем, которые были выполнены нами при определении напряжений и деформаций при кручении, а именно:
- 1) составим уравнения равновесия мысленно отсеченной части детали;
- 2) определим деформацию материала детали исходя из условий совместности деформаций элементарных объемов данного сечения;
- 3) решим уравнения равновесия и совместности деформаций.
Из условия равновесия отсеченного участка балки (рис. 3.5, б)
получим, что момент внутренних сил M z равен моменту внешних сил т: М = т.
Рис. 3.5.
Момент внутренних сил создается нормальными напряжениями o v , направленными вдоль оси х. При чистом изгибе нет внешних сил, поэтому сумма проекций внутренних сил на любую координатную ось равна нулю. На этом основании запишем условия равновесия в виде равенств
где А - площадь поперечного сечения балки (стержня).
При чистом изгибе внешние силы F x , F, F v а также моменты внешних сил т х, т у равны нулю. Поэтому остальные уравнения равновесия тождественно равны нулю.
Из условия равновесия
при о^О следует, что
нормальные напряжение с х в поперечном сечении принимают как положительные, так и отрицательные значения. (Опыт показывает, что при изгибе материал нижней стороны бруса на рис. 3.5, а растянут, а верхней - сжат.) Следовательно, в поперечном сечении при изгибе есть такие элементарные объемы (переходного слоя от сжатия к растяжению), в которых удлинение или сжатие отсутствует. Это - нейтральный слой. Линия пересечения нейтрального слоя с плоскостью поперечного сечения называется нейтральной линией.
Условия совместности деформаций элементарных объемов при изгибе формируется на основе гипотезы плоских сечений: плоские до изгиба поперечные сечения балки (см. рис. 3.5, б) останутся плоскими и после изгиба (рис. 3.6).
В результате действия внешнего момента брус изгибается, а плоскости сечений I-I и II-II поворачиваются друг относительно друга на угол dy (рис. 3.6, б). При чистом изгибе деформация всех сечений вдоль оси балки одинакова, поэтому радиус р к кривизны нейтрального слоя балки вдоль оси х один и тот же. Так как dx = р K dip, то кривизна нейтрального слоя равна 1 / р к = dip / dx и постоянна по длине балки.
Нейтральный слой не деформируется, его длина до и после деформации равна dx. Ниже этого слоя материал растянут, выше - сжат.
Рис. 3.6.
Значение удлинения растянутого слоя, находящегося на расстоянии у от нейтрального, равно ydq. Относительное удлинение этого слоя:
Таким образом, в принятой модели получено линейное распределение деформаций в зависимости от расстояния данного элементарного объема до нейтрального слоя, т.е. по высоте сечения балки. Полагая, что нет взаимного надавливания параллельных слоев материала друг на друга (о у = 0, а, = 0), запишем закон Гука для линейного растяжения:
Согласно (3.13) нормальные напряжения в поперечном сечении балки распределены по линейному закону. Напряжение элементарного объема материала, наиболее удаленного от нейтрального слоя (рис. 3.6, в
), максимально и равно
? Задача 3.6
Определить предел упругости стального клинка толщиной / = 4 мм и длиной / = 80 см, если его изгиб в полуокружность не вызывает остаточной деформации.
Решение
Напряжение при изгибе o v = Еу / р к. Примем y max = t / 2и р к = / / к.
Предел упругости должен соответствовать условию с уп > c v = 1 / 2 кЕ t /1.
Ответ: о = ] / 2 к 2 10 11 4 10 _3 / 0,8 = 1570 МПа; предел текучести этой стали а т > 1800 МПа, что превышает а т самых прочных пружинных сталей. ?
? Задача 3 .7
Определить минимальный радиус барабана для намотки ленты толщиной / = 0,1 мм нагревательного элемента из никелевого сплава, при котором материал ленты пластически не деформируется. Модуль Е= 1,6 10 5 МПа, предел упругости о уп = 200 МПа.
Ответ: минимальный радиус р = V 2 ?ir/a yM = У? 1,6-10 11 0,1 10 -3 / (200 10 6) = = 0,04 м. ?
1. При совместном решении первого уравнения равновесия (3.12) и уравнения совместности деформаций (3.13) получим
Значение Е / р к ф 0 и одинаково для всех элементов dA площади интегрирования. Следовательно, данное равенство удовлетворяется только при условии
Этот интеграл называют статическим моментом площади поперечного сечения относительно оси z? Каков физический смысл этого интеграла?
Возьмем пластинку постоянной толщины /, но произвольного профиля (рис. 3.7). Подвесим эту пластинку в точке С так, чтобы она находилась в горизонтальном положении. Обозначим символом у м удельный вес материала пластинки, тогда вес элементарного объема площадью dA равен dq = уJdA. Так как пластинка находится в состоянии равновесия, то из равенства нулю проекций сил на ось у получим
где G = у M tA - вес пластинки.
Рис. 3.7.
Сумма моментов сил всех сил относительно оси z , проходящей в любом сечении пластинки, также равна нулю:
Учитывая, что Y c = G, запишем
Таким образом, если интеграл вида J xdA по площади А равен
нулю, то х с = 0. Это означает, что точка С совпадает с центром тяжести пластинки. Следовательно, из равенства S z = J ydA = 0 при из-
гибе следует, что центр тяжести поперечного сечения балки находится на нейтральной линии.
Следовательно, значение у с поперечного сечения балки равно нулю.
- 1. Нейтральная линия при изгибе проходит через центр тяжести поперечного сечения балки.
- 2. Центр тяжести поперечного сечения является центром приведения моментов внешних и внутренних сил.
Задача 3.8
Задача 3.9
2. При совместном решении второго уравнения равновесия (3.12) и уравнения совместности деформаций (3.13) получим
Интеграл J z = J y 2 dA называется моментом инерции поперечного
сечения балки (стержня) относительно оси z, проходящей через центр тяжести поперечного сечения.
Таким образом, M z = Е J z / р к. Учитывая, что с х = Ее х = Еу / р к и Е / р к = а х / у, получим зависимость нормальных напряжений о х при изгибе:
1. Напряжение изгиба в данной точке сечения не зависит от модуля нормальной упругости Е, но зависит от геометрического параметра поперечного сечения J z и расстояния у от данной точки до центра тяжести поперечного сечения.
2. Максимальное напряжение при изгибе имеет место в элементарных объемах, наиболее удаленных от нейтральной линии (см. рис. 3.6, в):
где W z - момент сопротивления поперечного сечения относительно оси Z-
Условие прочности при чистом изгибе аналогично условию прочности при линейном растяжении:
где [а м | - допускаемое напряжение при изгибе.
Очевидно, что внутренние объемы материала, особенно вблизи нейтральной оси, практически не нагружены (см. рис. 3.6, в). Это противоречит требованию минимизировать материалоемкость конструкции. Ниже будут показаны некоторые способы преодоления данного противоречия.
