6.1 Shrnutí základních poznatků

Podobné dokumenty
Rovinná a prostorová napjatost

Z hlediska pružnosti a pevnosti si lze stav napjatosti

Pružnost a pevnost I

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

ÚSTAV MECHANIKY A MATERIÁLŮ FD ČVUT. DOC. ING. MICHAL MICKA, CSc. PŘEDNÁŠKA 4

7. CVIČENÍ. Sedmé cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

Normálová napětí v prutech namáhaných na ohyb

16. Matematický popis napjatosti

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

T leso. T leso. nap ě tí na prostorovém elementu normálové - působí kolmo k ploše smykové - působí v ploše

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Rovinná napjatost a Mohrova kružnice

Cvičení 1. Napjatost v bodě tělesa Hlavní napětí Mezní podmínky ve víceosé napjatosti

( ) Podmínka plasticity: σ σ 0. Podmínky plasticity. Podmínky plasticity. Podmínky plasticity. = σ = σ. f σ σ σ

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

Ohyb nastává, jestliže v řezu jakožto vnitřní účinek působí ohybový moment, tj. dvojice sil ležící v rovině kolmé k rovině řezu.

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost. Napětí statické rovnice Deformace geometrické rovnice Zobecněný Hookeův zákon Příklad zemní tlak v klidu

Analýza napjatosti PLASTICITA

Přímková a rovinná soustava sil

3.1 Shrnutí základních poznatků

y Obrázek 1.26: Průměrová rovina válcové plochy

ZÁKLADNÍ POJMY A VZTAHY V TECHNICKÉ PRUŽNOSTI

Vícerozměrné úlohy pružnosti

7 Lineární elasticita

Téma 2 Napětí a přetvoření

Desky. Petr Kabele. Pružnost a pevnost 132PRPE Přednášky. Deska/stěna/skořepina, desky základní předpoklady, proměnné a rovnice

4. Napjatost v bodě tělesa

Kritéria porušení laminy

Definujte poměrné protažení (schematicky nakreslete a uved te jednotky) Napište hlavní kroky postupu při posouzení prutu na vzpěrný tlak.

Systém vztahů obecné pružnosti Zobecněný Hookeův zákon

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

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

Vícerozměrné úlohy pružnosti

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

1.1 Steinerovy věty. lineární momenty a momenty kvadratické. Zajímat nás budou nyní osové kvadratické. v ohybu. Jejich definice je

Vlastní čísla a vlastní vektory

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

Kap. 3 Makromechanika kompozitních materiálů

Nelineární problémy a MKP

7. Základní formulace lineární PP

Téma 10 Úvod do rovinné napjatosti

MECHANIKA PODZEMNÍCH KONSTRUKCÍ PODMÍNKY PLASTICITY A PORUŠENÍ

150 KAPITOLA 7. STĚNA ROVINNÁ NAPJATOST

Nauka o materiálu. Přednáška č.5 Základy lomové mechaniky

Nejpoužívanější podmínky plasticity

EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA 2. Jan Krystek

Přetvořené ose nosníku říkáme ohybová čára. Je to rovinná křivka.

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

12. Prostý krut Definice

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

Příloha-výpočet motoru

1.1 Shrnutí základních poznatků

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

X = A + tu. Obr x = a 1 + tu 1 y = a 2 + tu 2, t R, y = kx + q, k, q R (6.1)

LINEARNI A KVADRATICKE MOMENTY K POSUNUTYM OSAM

Cvičení Na těleso působí napětí v rovině xy a jeho napěťový stav je popsán tenzorem napětí (

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

2. ANALYTICKÁ GEOMETRIE V PROSTORU Vektory Úlohy k samostatnému řešení... 21

(0, y) 1.3. Základní pojmy a graf funkce. Nyní se již budeme zabývat pouze reálnými funkcemi reálné proměnné a proto budeme zobrazení

1.6 Singulární kvadriky

14. přednáška. Přímka

Mechanické vlastnosti technických materiálů a jejich měření. Metody charakterizace nanomateriálů 1

III/2-1 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

5. Statika poloha střediska sil

Fyzika I mechanika. Rozdělení fyziky podle jednotlivých oborů, tj. podle jevů, které zkoumá:

2.2 Mezní stav pružnosti Mezní stav deformační stability Mezní stav porušení Prvek tělesa a napětí v řezu... p03 3.

Obr. 0.1: Nosník se spojitým zatížením.

Definice : 1 Bod A Ω En se naývá vnitřní bod oboru Ω, kdž eistuje okolí U A, které celé patří do oboru Ω Bod B se naývá hraniční bod oboru Ω, kdž v ka

Části a mechanismy strojů 1 KKS/CMS1

písemky (3 příklady) Výsledná známka je stanovena zkoušejícím na základě celkového počtu bodů ze semestru, ze vstupního testu a z písemky.

Analytická geometrie lineárních útvarů

Skládání různoběžných kmitů. Skládání kolmých kmitů. 1) harmonické kmity stejné frekvence :

Pevnost kompozitů obecné zatížení

Rovnoměrně ohýbaný prut

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

1 Analytická geometrie

Rovnice přímky v prostoru

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ. DOC. ING. ZDENĚK KALA, Ph.D. ING. JIŘÍ KALA, Ph.D. PRUŽNOST A PEVNOST MODUL BD02-M03

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

Souřadnicové výpočty. Geodézie Přednáška

Nejpoužívanější podmínky plasticity

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Porušení hornin. J. Pruška MH 7. přednáška 1

Střední průmyslová škola strojírenská a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky, Kolín IV, Heverova 191

Winklerovo-Pasternakovo dvouparametrické podloží

6 Pohyb částic v magnetickém poli

Hledané složky vektoru tvoří odvěsny pravoúhlého trojúhelníku:

Pružnost a pevnost. 2. přednáška, 10. října 2016

Analytická geometrie přímky, roviny (opakování středoškolské látky) = 0. Napište obecnou rovnici. 8. Jsou dány body A [ 2,3,

Cyklografie. Cyklický průmět bodu

= 1, (2.3) b 2 + z2. c2 se nazývá imaginární elipsoid. Jedná se o regulární kvadriku, která, jak vidíme z rovnice (2.3), neobsahuje žádný reálný bod.

Integrální definice vnitřních sil na prutu

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

Příloha č. 1. Pevnostní výpočty

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

trubku o délce l. Prut (nebo trubka) bude namáhán kroutícím momentem M K [Nm]. Obrázek 1: Prut namáhaný kroutícím momentem.

Rovnice přímky. s = AB = B A. X A = t s tj. X = A + t s, kde t R. t je parametr. x = a 1 + ts 1 y = a 2 + ts 2 z = a 3 + ts 3. t R

Matematika I, část I. Rovnici (1) nazýváme vektorovou rovnicí roviny ABC. Rovina ABC prochází bodem A a říkáme, že má zaměření u, v. X=A+r.u+s.

Transkript:

6.1 Shrnutí ákladních ponatků Prostorová a rovinná napjatost Prostorová napjatost v libovolném bodě tělesa je v pravoúhlé soustavě souřadnic obecně popsána 9 složkami napětí, které le uspořádat do matice ve tvaru τ τ τ τ. (1) σ Prvk, a σ ležící na hlavní diagonále představují normálové složk napětí a prvk τ, τ, τ, τ, a ležící mimo hlavní diagonálu repreentují smkové složk napětí. Orientace uvedených složek a rovin, v nichž působí, jsou patrné obr. 1, na kterém je náorněn elementární hranolek vjmutý tělesa. τ τ τ τ τ τ τ σ Pro smkové složk napětí přitom platí tv. ákon sdružených smkových napětí, který le apsat ve tvaru τ = τ =, τ = = τ, τ = = τ. () τ To však namená, že původních 9 složek napětí σ τ τ bývá poue 6 růných složek, toho tři normálové,, σ a tři smkové τ, τ a. Prostorovou napjatost le také popsat jednodušeji pomocí tv. hlavních napětí σ 1, σ a σ 3 σ (σ 1 σ σ 3 ), což jsou normálová napětí působící v tv. hlavních rovinách. Hlavní rovinou Obr. 1: Element vjmutý tělesa. roumíme takovou rovinu v tělese, ve které je smková složka napětí nulová. Velikost hlavních napětí le určit podmínk ( σ i ) τ ( σ i ) τ τ τ (σ σ i ) = 0, pro i = 1,, 3, (3) kde i představuje inde příslušného hlavního napětí. Včíslením determinantu dostaneme kubickou rovnici pro výpočet tří hlavních napětí. Speciálními případ prostorové napjatosti jsou tv. jednoosá a rovinná napjatost. Danou napjatost onačíme a jednoosou, je-li poue jedna normálová složka napětí nenulová a všechn ostatní složk jsou nulové. V takovém případě hovoříme o prostém tahu či tlaku. 1

β α σρ 0 τ ρ δ ρ (a) (b) Obr. : Rovinná napjatost. V případě rovinné napjatosti leží všechn nenulové složk napětí poue v jedné rovině, všechn ostatní složk jsou nulové. S takovým případem napjatosti se často setkáváme při kombinovaném namáhání. Příkladem je např. napjatost v rovině náorněná na obr. (a) popsaná složkami napětí, a. Předpokládejme, že náme složk napětí, a popisující rovinnou napjatost v rovině. Potom velikost složek napětí σ ρ a τ ρ působících v rovině ρ, která je vůči rovině pootočena o úhel α (vi obr. (b)), určíme pomocí vtahů σ ρ = + τ ρ = + cos α + sin α, sin α cos α, (4) přičemž úhel α považujeme a kladný, směřuje-li proti směru otáčení hodinových ručiček. Rovnice (4) představují parametrické vjádření kružnice s parametrem α a se středem na ose σ v Mohrově rovině napětí στ. Tato kružnice se naývá Mohrova a pro případ > > 0 je náorněna na obr. 3. Geometrická interpretace vtahů (4) je náorněna do tohoto obráku pomocí trojúhelníka SAρ. Z uvedeného obráku vplývá, že každý bod kružnice představuje obra jedné rovin (v tomto případě rovin ρ) patřící do svaku rovin, který je určen průsečnicí rovin, v nichž působí složk napětí, a, v tomto případě osou. Dále je obr. 3 řejmé, že se úhl do Mohrov kružnice (diagramu) vnášejí s dvojnásobnou velikostí a se stejnou orientací v porovnání se skutečností (vi obr. (b) a obr. 3). Podle výše uvedeného le snadno provést vlastní konstrukci Mohrov kružnice (diagramu) na ákladě nalosti složek napětí, a. Do Mohrov rovin potom vneseme bod představující obra dvou navájem kolmých rovin β a δ (vi obr. (b)), jejichž poloha je dána velikostmi normálových a smkových složek napětí působících v těchto rovinách (vi všrafované trojúhelník SA β a SA δ v obr. 3). Znaménka smkových napětí přitom

τ III IV δ II 0 A S σ α A α A ρ τ ma τ ρ I σ σ >0 β <0 IV V <0 σ ρ σ 1 >0 Obr. 3: Konstrukce Mohrov kružnice. Obr. 4: Znaménka smkových složek napětí při vnášení do Mohrov rovin. vnášíme podle úmluv náorněné na obr. 4. Tato úmluva plne e druhého vtahu (4) a obr. (b) pro úhel α = 0. Dodržíme-li pravidlo pro naménko smkových napětí, bude smsl otáčení rovin ρ v elementu na obr. (b) shodný se smslem pohbu jejího obrau (bodu) na Mohrově kružnici na obr. 3. Bod I a II v obr. 3 představují obra hlavních rovin. Z obráku je řejmé, že v těchto rovinách působí etrémní (maimální a minimální) napětí - hlavní napětí σ 1 > σ. Pokud OS onačíme vdálenost středu Mohrov kružnice od počátku souřadnicového sstému στ a R poloměr Mohrov kružnice, le velikosti těchto napětí stanovit podle vtahu (σ σ 1, = OS ± R = + ± ) + τ. (5) Z Mohrova diagramu můžeme dále také určit polohu hlavních rovin vhledem k rovině β či δ. Rovina I s napětím σ 1 je například od rovin β natočena o úhel φ (v Mohrově kružnici o úhel φ) proti směru hodinových ručiček, jehož velikost určíme pravoúhlého trojúhelníka SA β v obr. 3 jako tan φ = φ = 1 ( arctan τ ). (6) 3

Dalšími charakteristickými bod na Mohrově kružnici jsou bod IV a V (vi obr. 3). Tto bod představují obra rovin, v nichž působí stejně velká normálová napětí σ s a maimální smková napětí τ ma, pro jejichž velikost platí σ s = + a τ ma = (σ ) + τ. (7) Mohrovu kružnici le sestrojit i pro prostorovou napjatost. V takovém případě pak hovoříme o tv. Mohrově diagramu, který se skládá e tří Mohrových kružnic. Příklad takového Mohrova diagramu pro prostorovou napjatost popsanou hlavními napětími σ 1, σ a σ 3, pro která platí σ 1 > σ > σ 3 > 0, je náorněn na obr. 5. Bod I, II a III pak repreentují obra hlavních rovin. τ σ σ 3 τ ma 0 III II I σ σ σ 1 Obr. 5: Mohrův diagram pro prostorovou napjatost. Vtah mei složkami napětí a deformace při prostorové a rovinné napjatosti Vtah mei složkami napětí a deformace je v teorii pružnosti popsán tv. Hookeovým ákonem. V případě prostorové napjatosti le tento ákon apsat v obecněném tvaru ε = 1 E [ µ( + σ )], γ = 1 G τ, ε = 1 E [ µ( + σ )], γ = 1 G τ, (8) ε = 1 E [σ µ( + )], γ = 1 G, kde E [MPa] představuje modul pružnosti v tahu (tv. Youngův modul), µ [-] je Poissonovo číslo a G [MPa] je modul pružnosti ve smku. Mei těmito konstantami platí vtah E G = (1 + µ). (9) 4

Vhledem k tomu, že rovinná napjatost je speciálním případem napjatosti prostorové, le podobu Hookeova ákona pro tuto napjatost snadno odvodit e vtahů (8). Pro rovinnou napjatost v rovině potom platí ε = 1 E ( µ ), ε = 1 E ( µ ), γ = 1 G. (10) Inverí vtahů (10) pak dostáváme příslušné vtah pro složk napětí = E 1 µ (ε + µε ), = E 1 µ (ε + µε ), = G γ. (11) Teorie pevnosti (hpoté) - podmínk pevnosti V případě jednoosé napjatosti či napjatosti prostého smku má podmínka pevnosti jednoduchý tvar (blíže vi kapitola Tah (tlak) a Krut). Jedná-li se o složitější napjatost (rovinnou či prostorovou) je situace komplikovanější, protože chování materiálu ovlivní všechn složk napětí. Pro řešení uvedeného problému bla navržena růná kritéria a pro vjádření potřebné mechanické vlastnosti materiálu se vcháí jednoosé napjatosti, na kterou se pohlíží jako na vláštní případ napjatosti prostorové σ 1 = σ 0, σ = σ 3 = 0. Závislost mei těmito veličinami, kd b nastala porucha, le obecně vjádřit ve tvaru f(σ 1, σ, σ 3, R mt, R md ) = 0, (1) kde R mt je pevnost materiálu v tahu a R md pevnost v tlaku. Pro ajištění spolehlivého provou součásti je potřeba abepečit, že k uvedenému menímu stavu nedojde. Proto, jak již blo uvedeno u prostého tahu - tlaku (jednoosá napjatost), se avádí součinitelé bepečnosti k k > 1 vůči mei kluu a k p > 1 vůči mei pevnosti. Přípustná (dovolená) napětí le potom pro tvárné materiál vjádřit ve tvaru σ D = σ k k k, (13) kde σ k = Re pro materiál s výranou meí kluu a σ k = R p 0. pro materiál se smluvní meí kluu. Pro křehké materiál, pro které platí R mt < R md, jsou dovolené hodnot napětí definován vtah σ Dt = R mt k p a σ Dd = R md k p. (14) Pevnostní podmínk se vájemně liší podle toho, jakého předpokladu vcháejí. Na ákladě toho se obecná napjatost vjádří pomocí ekvivalentního napětí tv. redukovaného napětí σ red. Eistuje řada podmínek pevnosti, které jsou definován pro tvárný nebo křehký materiál. Zde uvedeme poue tři nejužívanější. 5

Podmínk pevnosti pro tvárné materiál: 1. Teorie (hpotéa) pevnosti podle maimálního smkového napětí - tv. Guestova hpotéa. Podle této teorie rohoduje o pevnosti součásti velikost maimálního smkového napětí. Pevnostní podmínku le obecně apsat ve tvaru což le přepsat do tvaru σ D σ i σ j σ D, kde i, j = 1,, 3, (15) σ red σ D. (16) Redukované napětí σ red v (16) le přitom podle této hpoté vjádřit jako σ red = σ 1 σ 3 = τ ma, (17) kde σ 1 je největší a σ 3 nejmenší hlavní napětí. Zde je potřeba dát poor u rovinné napjatosti, při které jsou obě hlavní napětí σ 1, σ stejného naménka. Protože o pevnosti rohoduje maimální smkové napětí, je nutné rovinnou napjatost chápat jako speciální případ napjatosti prostorové, tj. třetí hlavní napětí je σ 3 = 0 a pomocí toho pak správně určit σ red podle rovnice (17). V případě rovinné napjatosti dané dvěma složkami normálových napětí a jednou smkovou složkou (např., a ) bude velikost redukovaného napětí rovna σ red = ( ) + 4τ. (18). Teorie pevnosti podle hustot deformační energie na měnu tvaru - tv. hpotéa HMH (Huber-Mises-Henck). Podle této teorie rohoduje o pevnosti součásti velikost deformační energie na měnu tvaru. Pevnostní podmínku le opět apsat ve tvaru σ red σ D, (19) kde velikost redukovaného napětí σ red určíme jako σ red = σ1 + σ + σ3 (σ 1 σ + σ σ 3 + σ 3 σ 1 ), (0) nebo σ red = σ + σ + σ ( + σ + σ ) + 3 ( τ + τ + τ ). (1) V případě rovinné napjatosti dané např. složkami, a se vtah pro σ red redukuje na σ red = σ + σ + 3τ. () Redukované napětí určené dle této hpoté je v literatuře velmi často onačováno jako tv. Misesovo napětí (von Mises stress). 6

Podmínk pevnosti pro křehké materiál: 1. Mohrova hpotéa pevnosti. Tuto podmínku le apsat ve tvaru σ red σ Dt, (3) Hodnotu redukovaného napětí σ red přitom obecně stanovíme jako σ red = σ 1 ρσ 3, (4) kde konstantu ρ určíme v případě rodílných součinitelů bepečnosti v tahu a v tlaku jako ρ = σ Dt σ Dd. (5) Pokud uvažujeme stejné součinitele bepečnosti, přecháí vtah (5) do podob ρ = R mt R md. (6) Při posuování rovinné napjatosti pomocí této hpoté je nutné, stejně jako u Guestov hpoté, chápat danou napjatost jako prostorovou a správně tak určit maimální a minimální hlavní napětí. 7