Проектирование компонентов, подверженных растягивающим и сжимающим нагрузкам | Предел текучести |...

В машиностроении и строительстве компоненты часто проектируются на растяжение или сжатие. Растягивающие нагрузки возникают, например, в болтах, цепях и тросах, а сжимающие – в колоннах или сосудах под давлением. Для обеспечения функциональной безопасности необходимо знать предельные значения, характерные для конкретного материала, такие как предел текучести, предел прочности на растяжение или предел текучести при сжатии. Эти свойства обычно определяются с помощью стандартизированных испытаний, в первую очередь испытания на растяжение. В этом испытании образец материала растягивается до разрушения, при этом действующая сила измеряется на протяжении всей деформации. Для определения напряжения усилие делится на площадь поперечного сечения, а деформация определяется как отношение удлинения к исходной длине. Полученная диаграмма «напряжение-деформация» позволяет идентифицировать области упругости, пластичности и образования шейки. Предел текучести RE определяет максимальное напряжение, при котором материал остаётся упругим, тогда как предел прочности на растяжение RM представляет собой максимальное напряжение, которое может быть выдержано до разрушения. Для материалов без выраженного предела текучести вместо него используется 0,2-процентный предел текучести. Размеры компонентов гарантируют, что действующее напряжение не превысит предел текучести материала. Примеры расчетов со стальными прутками показывают, что для заданной нагрузки площадь поперечного сечения должна быть выбрана таким образом, чтобы максимально допустимое напряжение, включая коэффициент запаса прочности, не превышалось. Коэффициент запаса прочности, определяемый как отношение предела текучести к максимально допустимому напряжению, на практике часто определяется эмпирически. Помимо пределов прочности, необходимо также учитывать пределы деформации, особенно в случаях, когда упругая деформация может повлиять на функциональность, например, в крышках сосудов высокого давления с болтовым соединением. В этом случае модуль упругости, или модуль Юнга, важен, поскольку он описывает соотношение между напряжением и упругой деформацией. Модуль Юнга является мерой жесткости материала и позволяет рассчитать максимально допустимое напряжение на основе допустимого удлинения. Практическое определение размеров включает определение минимально необходимой площади поперечного сечения и площади напряженного состояния. Для болтов эффективной несущей площадью является не поперечное сечение стержня, а площадь напряжённой поверхности резьбы. При заданной нагрузке и максимально допустимом напряжении можно определить требуемую площадь напряжённой поверхности, которая представлена в таблице для стандартизированных размеров резьбы. Примеры показывают, что максимально допустимое напряжение часто определяется пределами деформации, а не пределом прочности, поэтому для определения размеров следует использовать меньшее из двух значений. Те же принципы применимы и к сжимающей нагрузке. Предел текучести при сжатии соответствует пределу текучести при растяжении и определяется в ходе испытания на сжатие. В то время как стали обладают практически одинаковой прочностью на растяжение и сжатие, чугун обладает значительно более высокой прочностью на сжатие. Поэтому при определении размеров действуют те же основные правила, что и при растягивающей нагрузке, но учитываются специфические для материала различия между пределом текучести при растяжении и сжатии. Подводя итог, можно сказать, что определение размеров компонентов, подверженных растягивающей или сжимающей нагрузке, включает в себя сочетание расчётов прочности и деформации. При этом учитываются свойства материала, коэффициенты запаса, площадь поперечного сечения и упругая деформация для обеспечения функциональности и безопасности эксплуатации. 00:00 Определение размеров при растяжении 01:04 Испытание на растяжение 02:14 Диаграмма напряжения-деформации 05:55 Предел текучести, предел прочности на растяжение и условный предел текучести 03:53 Определение размеров I: предел текучести 05:32 Определение размеров II: максимально допустимое напряжение (коэффициент запаса прочности) 06:43 Определение размеров III: минимально необходимая площадь поперечного сечения 08:41 Определение размеров IV: максимально допустимые деформации 09:40 Модуль Юнга (модуль упругости) 11:23 Определение размеров болтов 12:07 Классы прочности болтов 13:15 Расчет упругой деформации 15:12 Площадь напряженного состояния болта 16:05 Определение размеров при сжатии