2.1 Shrnutí základních poznatků

Podobné dokumenty
1.1 Shrnutí základních poznatků

Konstrukční a technologické koncentrátory napětí

MAGNETICKÉ POLE ELEKTRICKÉHO PROUDU. r je vyjádřen vztahem

Rotačně symetrické úlohy

Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1 Šablona: Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

vzhledem k ose kolmé na osu geometrickou a procházející hmotným středem válce. c) kužel o poloměru R, výšce h, hmotnosti m

Podpora digitalizace a využití ICT na SPŠ CZ.1.07/1.5.00/

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

ELEKTRICKÝ NÁBOJ COULOMBŮV ZÁKON INTENZITA ELEKTRICKÉHO POLE

Řešení testu 2b. Fyzika I (Mechanika a molekulová fyzika) NOFY ledna 2016

DYNAMIKA HMOTNÉHO BODU

Gravitační pole. a nepřímo úměrná čtverci vzdáleností r. r r

Newtonův gravitační zákon

TLUSTOSTĚNNÉ ROTAČNĚ SYMETRICKÉ VÁLCOVÉ NÁDOBY. Autoři: M. Zajíček, V. Adámek

Pružnost a plasticita II

3.7. Magnetické pole elektrického proudu

Učební text k přednášce UFY102

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Kinematika tuhého tělesa

a polohovými vektory r k

Newtonův gravitační zákon Gravitační a tíhové zrychlení při povrchu Země Pohyby těles Gravitační pole Slunce

Diferenciální operátory vektorové analýzy verze 1.1

Příklady elektrostatických jevů - náboj

Trivium z optiky Vlnění

Skořepinové konstrukce. tloušťka stěny h a, b, c

TAH-TLAK. Autoři: F. Plánička, M. Zajíček, V. Adámek R A F=0 R A = F=1500N. (1) 0.59

II. Statické elektrické pole v dielektriku. 2. Dielektrikum 3. Polarizace dielektrika 4. Jevy v dielektriku

4. konference o matematice a fyzice na VŠT Brno, Fraktály ve fyzice. Oldřich Zmeškal

1. Dvě stejné malé kuličky o hmotnosti m, jež jsou souhlasně nabité nábojem Q, jsou 3

1.7.2 Moment síly vzhledem k ose otáčení

FYZIKA I. Rovnoměrný, rovnoměrně zrychlený a nerovnoměrně zrychlený rotační pohyb

Harmonický pohyb, výchylka, rychlost a zrychlení

11. cvičení z Matematiky 2

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Fyzika. Fyzikální veličina - je mírou fyzikální vlastnosti, kterou na základě měření vyjadřujeme ve zvolených jednotkách

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Hlavní body. Keplerovy zákony Newtonův gravitační zákon. Konzervativní pole. Gravitační pole v blízkosti Země Planetární pohyby

Nosné desky. 1. Kirchhoffova teorie ohybu tenkých desek (h/l < 1/10) 3. Mindlinova teorie pro tlusté desky (h/l < 1/5)

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P03 MECHANIKA TUHÝCH TĚLES

Pohyb tělesa, základní typy pohybů, pohyb posuvný a rotační. Obsah přednášky : typy pohybů tělesa posuvný pohyb rotační pohyb geometrie hmot

F5 JEDNODUCHÁ KONZERVATIVNÍ POLE

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Dřevěné nosníky se zářezem v podpoře

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

4. Napjatost v bodě tělesa

Moment síly, spojité zatížení

Výslednice, rovnováha silové soustavy.

Pružnost a pevnost I

Duktilní deformace, část 1

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ HŘÍDELE A ČEPY

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

Statika soustavy těles.

1.3.8 Rovnoměrně zrychlený pohyb po kružnici I

Obsah. 2 Moment síly Dvojice sil Rozklad sil 4. 6 Rovnováha 5. 7 Kinetická energie tuhého tělesa 6. 8 Jednoduché stroje 8

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Spojité rozložení náboje

Nelineární problémy a MKP

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

PRUŽNOST A PLASTICITA

MAGNETICKÉ POLE CÍVEK V HELMHOLTZOVĚ USPOŘÁDÁNÍ

Řešení úloh krajského kola 58. ročníku fyzikální olympiády Kategorie B Autor úloh: J. Thomas

Napětí horninového masivu

Geometricky válcová momentová skořepina

Geometrická optika. Aberace (vady) optických soustav

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

Zobrazení kružnice v pravoúhlé axonometrii. osy, která je normálou roviny dané kružnice; délka hlavní poloosy je rovna poloměru

SMR 1. Pavel Padevět

vztažný systém obecné napětí předchozí OBSAH další

GEOMETRICKÉ APLIKACE INTEGRÁLNÍHO POČTU

PRUŽNOST A PLASTICITA I

Seznámíte se s další aplikací určitého integrálu výpočtem obsahu pláště rotačního tělesa.

3.1. Magnetické pole ve vakuu a v látkovém prostředí Elektromagnetická indukce Energie a silové účinky magnetického pole...

TUHÉ TĚLESO. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

1 Tuhé těleso a jeho pohyb

5. Světlo jako elektromagnetické vlnění

Spojky Třecí lamelová HdS HdM

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

PRUŽNOST A PLASTICITA

Dynamika tuhého tělesa. Petr Šidlof

Základní vlastnosti elektrostatického pole, probrané v minulých hodinách, popisují dvě diferenciální rovnice : konzervativnost el.

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

Nosné konstrukce AF01 ednáška

Hydraulika podzemních vod

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Pružnost a plasticita II CD03

Příloha-výpočet motoru

Pružnost a plasticita CD03

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

13. Prostý ohyb Definice

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ GB02 FYZIKA II MODUL M01 ELEKTŘINA A MAGNETISMUS

Spoje pery a klíny. Charakteristika (konstrukční znaky)

P5: Optické metody I

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Elektrické a magnetické pole zdroje polí

Nauka o materiálu. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Transkript:

.1 Shnutí základních poznatků S plnostěnnými otujícími kotouči se setkáváme hlavně u paních a spalovacích tubín a tubokompesoů. Matematický model otujících kotoučů můžeme s úspěchem využít např. i při návhu někteých setvačníků. Při odvození teoie plnostěnných otujících kotoučů espektujeme základní předpoklady, se kteými se setkáváme i u řady jiných technických poblémů: Mateiál kotouče je lineáně elastický(zatěžování pobíhá v oblasti platnosti Hookeova zákona), homogenní a isotopní. Poměnédefomace,kteémohouvznikatvkotouči,jsoumalé,tj. ε 1. Respektujeme Saint-Venantův pincip, při kteém se lokální chaakte zatížení pojevuje jen v jeho blízkém okolí. Podmínky ovnováhy sil sestavujeme na nepřetvořeném tělese kotouče. Vliv vlastní tíhy tělesa na stav napjatosti a defomace neuvažujeme(zanedbáváme). Stav napjatosti a defomace v obecném bodě kotouče je účelné vyšetřovat ve válcových souřadnicích,ϕ,z,jejichžoientacejepatnázob.1.sohledemnatvakotoučenení stav napjatosti obecně snadno řešitelný, a poto učiňme další zjednodušující předpoklady: Kotoučjevzhledemkesvémupůměutenkýasymetickývůčiovině z.tloušťka kotouče b je obecně poměnná, přičemž je známa funkční závislost b = b(). Potom můžeme uvažovat napětí v adiálním směu na libovolné válcové ploše souosé s kotoučemzanezávislénatloušťce,cožvdůsledkuznamená,že σ nenífunkcí z. Kotoučotujekolemosyotace zkonstantníúhlovouychlostí ω[ads 1 ],kteoulze vyjádřitpomocípočtuotáčekkotouče n[min 1 ]vztahem ω= πn 30 =konst. (1) Do výpočtu tedy nezahnujeme dobu ozběhu a doběhu kotouče, popř. změnu otáček za povozu. Při splnění uvedených předpokladů zůstávají válcové a osové řezy kotouče i za defomace vzájemně kolmé, nedochází mezi nimi ke zkosu a v konečném důsledku jsou sdužená smyková napětí v těchto řezech nulová. Na válcových řezech mohou i tak působit smyková napětí ovnoběžná s osou otace. Poto se ještě činí následující předpoklad: Smyková napětí na válcových řezech působící ve směu osy otace zanedbáváme, tj. u tenkých kotoučů jsou velikosti těchto smykových napětí zanedbatelná v poovnání s nenulovými nomálovými napětími. Válcové a osové řezy tak považujeme za hlavní oviny napětí. 1

σ + dσ dϕ z dc σ O b+db Ob. 1: Napjatost v elementáním hanolku. ϕ b d Vzhledem k výše uvedenému je zkoumaná úloha otačně symetická vzhledem k ose otace(napětí nejsou funkcí ϕ). Při vyšetřování stavu napjatosti kotouče vycházíme z vyjmutého elementáního pvku nádoby za dodžení pincipu metody řezů. Vedeme 4 myšlené řezy:souoséválcovéřezyopoloměech a+d asoumeznéřezyučenésouřadnicemi ϕaϕ+dϕ, kteé obsahují osu otace kotouče, viz ob. 1. Potože je kotouč považován za tenký, nejsou po vymezení elementáního pvku nutné řezy kolmé na osuotace z.na4stěny(řezy)taktovznikléhoelementáního hanolku připojíme účinky vnitřních sil ze zbývající části kotouče. Přitom využijeme těchto skutečností: Stěnyhanolkumajínekonečněmalouplochu,ataknapětí,naněpůsobící,lzeuvažovat jako ovnoměně ozložená. S ohledem na otaci kotouče při konstantních otáčkách působí na hanolek v adiálním směu elementání odstředivá síla dc, jejíž velikost učíme jako dc= ω dm= ω dv= ω bddϕ, () kde jeměnáhmotnost(hustota)mateiálukotoučeakdedm,esp.dv,epezentuje hmotnost, esp. objem, elementáního hanolku z ob. 1. V elementáním hanolku je tedy dvojosý stav napjatosti učený hlavními napětími σ adiálnía obvodové 1.Potožesmyslynapětínejsoupředemznámy,uvažují se obě a pioi jako tahová(ob. 1), přičemž jejich skutečné směy obdžíme při řešení konkétní úlohy. S ohledem na dříve uvedené skutečnosti můžeme uvést, že ovněž obvodové napětí považujemefunkčnězávislépouzenapoloměu,tj. = (). Základní ovnice Abychom dokázali učit úlpný stav napjatosti v plnostěnném otujícím kotouči, sestavíme po elementání pvek(ob. 1): jednu podmínku ovnováhy v adiálním směu σ + dσ d + b σ db d + ω =0, (3) 1 Napětí setakéčastoznačídlepříslušnésouřadnice,tj. σ ϕ.

dvě geometicko-defomační ovnice vyjadřující závislost mezi poměnými defomacemi(podlouženími) v adiálním a obvodovém směu a posuvem u = u() v adiálnímsměu ε = du (+ u)dϕ dϕ a ε t = = u d dϕ, (4) jednu ovnici spojitosti defomací, tzv. ovnici kompatibility, dε t d =1 (ε ε t ), (5) užitím obecného Hookeova zákona dvě fyzikální ovnice po poměné defomace v adiálním a obvodovém směu ε = 1 E (σ ν ) a ε t = 1 E ( νσ ), (6) kde EjeYoungůvmodulpužnostiaνjePoissonovočíslo. Základnísoustavušestiovnic(3)až(6)jemožnévzásaděřešitdvěmazpůsoby.Při hledání neznámých funkcí použijeme buď defomační vaiantu řešení, kde jsou neznámými posuvy, nebo silovou vaiantu řešení, kde jsou neznámými napětí. Řešitelnost soustavy do značné míy učuje funkce b(). Poto se řešení analytickým přístupem obvykle zjednodušuje na případy, u nichž je řešení soustavy poměně snadné. Řešení zjednodušených případů otujícího kotouče pak může sloužit za základ přibližných metod, umožňujících poměně snadno řešit i obecnější úlohy. S výhodou při tom můžeme využívat zákona supepozice zatížení. Obecné řešení otujícího kotouče konstantní tloušťky Při hledání dvojosého stavu napjatosti v kotouči konstantní tloušťky zůstávají vztahy(4) až(6)bezzměny.podmínkaovnováhy(3)sespřihlédnutímkb b()zjednodušínatva σ + dσ d + ω =0. (7) Soustavěovnic(4)až(7)potomvyhovujídvěobecnářešení 3 σ = D 1 ± D (3+ν)D ω a σ t = D 1 D (1+3ν)D ω (8) učujícíozloženíhlavníchnapětí σ a vestěněkotouče,kde D 1 a D jsouintegační konstanty.konstantu D ω můžemepsátvetvau D ω = ω 8. (9) Ze vztahů(8) je zřejmé, že pvní člen v obou ovnicích vyjadřuje pouze posunutí výsledných křivek, duhé členy učují hypeboly. stupně a třetí členy učují dvě paaboly. Definujme Funkce ujepoměnnépouze,cožplyneobdobnějakousložeknapětízuvedenýchpředpokladů. 3 Vdalšímbudemepacovatsřešením: σ = D 1 D (3+ν)D ω a = D 1 +D x (1+3ν)D ω. 3

( ) σ σ p p t σ 1 p 1 p 1 ( ) 1 ω O D1 B O σ, Ob.:Rozloženínapětí σ a vestěněotujícíhokotoučekonstantnítloušťky. nyní dvě pomocné paabolické funkce p = D 1 (3+ν)D ω a p t = D 1 (1+3ν)D ω sespolečnýmvcholemvbodě B O osouřadnicích[0,d 1 ],kteévzniklyzevztahů(8)po σ a anulovánímduhých(hypebolických)členů,vizob..jeevidentní,žetvaobou paabolnezávisínaintegačníchkonstantách D 1 a D atudížnezávisíaninaokajových podmínkách.poovnáme-linyníchaaktekřivek σ a p,esp. a p t,lzekonstatovat,že σ,esp.,seasymptotickyblížíkp,esp. p t,jakjezřejmézob..zobázkujedále patný ostoucí vliv hypebolických členů s klesající velikostí poloměu. Z analýzy dále vyplývá,ževpřípadězastaveníkotouče,tj.po ω=0,majívztahyponapětí σ a fomálně stejný tva jako u úlohy otačně symetické tlustostěnné válcové nádoby. Úloha s okajovými podmínkami po kotouč konstantní tloušťky Pomocíobecnéhořešení(8)aokajovýchpodmínek 4 stanovímekonkétnítvaintegačních konstant D 1 a D.Zhlediskatechnicképaxeuvažujmetypickýpřípadnamáháníkotouče (ob. ) odstředivou silou částí na něj připevněných(např. tubínových lopatek) a tlakem v nalisování, je-li kotouč s přesahem nalisován na hřídel. Příslušné okajové podmínky lze potom fomulovat takto: σ ( 1 )= p 1 a σ ( )=σ, (10) kdeskutečnost,žejdenapoloměu 1 otlak,jevyjádřenazáponýmznaménkemasymbol 4 Jednáseostatickéokajovépodmínky,potoženahanicipředepisujemestaticképodmíkyovnováhy. 4

p 1 pakznačípouzevelikosttohototlaku.svyužitím(8)upavímeokajovépodmínky(10) na soustavu dvou lineáních algebaických ovnic D 1 D (3+ν)D 1 ω 1= p 1 a D 1 D poneznámé D 1 a D.Povyřešenísoustavyobdžíme (3+ν)D ω = σ (11) D 1 =(3+ν)D ω ( 1 + ) + p 1 1+ σ 1 a D =(3+ν)D ω 1 + (p 1+ σ ) 1 1. (1) Vzhledem k platnosti pincipu supepozice zatížení lze ukázat, že pvní členy ve vztazích (1) odpovídají řešení otujícího kotouče s nezatíženými okaji, zatímco duhé členy řešení neotujícího kotouče s okajovými podmínkami(10). Defomace otujícího kotouče Považujme stav napjatosti v kotouči, obecně poměnné tloušťky, za známý. Změnu poloměu ()kotoučevypočtemestejnějakoadiálníposuv u(),tj. u.pozměnu poloměu obecného kuhového vlákna tedy platí, s přihlédnutím k(4) a(6), = ε t = E ( νσ ). (13) Povýpočetzměnyšířkykotouče b()využijemeplatnostivztahu ε z =d( z)/dz. Využitím Hookeova zákona lze po celkovou změnu tloušťky kotouče b psát b= b/ b/ ε z dz= 1 E [ ν(σ + )] b/ b/ dz= νb E (σ + ). (14) Zuvedenéhoodvozeníjepatné,že bnenínacelémkotoučikonstantní,neboť σ = σ () a = ().Vzhledemkchaakteunapětíjepříčnézúženíkotoučeblížeoseotacevětší. V osových řezech kotouče tedy skutečně dochází ke zkosení a vzniku smykového napětí, kteé ovšem zanedbáváme, jak bylo uvedeno v předpokladech. V závěu shnutí upozoněme na možnost vzniku přídavného namáhání kotouče od neovnoměně ozložené teploty podél poloměu kotouče. S tímto poblémem se obvykle setkáváme u spalovacích tubín, na jejichž obvodu jsou teploty vysoké a kotouče jsou poto chlazeny. Ve výpočtech se po zjednodušení uvažuje teplota T[K] jako funkce obecného poloměu, tedy T = T(). Vliv teploty se v soustavě základních ovnic pojeví ozšířením ovnic(6) o člen, kteý představuje defomaci vlivem změny teploty. Tuto defomace udává teplotníozdíl T = T T 0,kde T 0 jeznámápočátečníteplota,asoučiniteltepelné oztažnostimateiálukotouče α T [K 1 ].Fyzikálníovnicepotomnabývajítvau ε = 1 E (σ ν )+α T T a ε t = 1 E ( νσ )+α T T. (15) Ještě upozoněme na fakt, že za vysokých teplot je nutno také přihlížet k možným změnám mechanických vlastností mateiálu, popř. ke vzniku dlouhodobého pocesu tečení (ceep) mateiálu za vysokých teplot. 5