Решение типовых задач по сопромату

Пример решения задачи на растяжение и сжатие

Условие задачи на растяжение и сжатие

Стальной стержень (модуль Юнга кН/см2) с размерами см; см, см и площадью поперечного сечения нижнего участка см2, а верхнего – см2 нагружен внешними осевыми силами кН и кН. Построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений . Оценить прочность стержня, если предельное напряжение (предел текучести) кН/см2, а допускаемый коэффициент запаса . Найти удлинение стержня .

Расчетная схема для задачи на растяжение и сжатие

Решение пример задачи на растяжение и сжатие

Определяем значение опорной реакции , возникающей в заделке

Учитывая, что , направим опорную реакцию вниз. Тогда из уравнения равновесия находим:

Строим эпюру продольных сил

Разбиваем длину стержня на три участка. Границами участков являются сечения, в которых приложены внешние силы и (или) изменяется размер поперечного сечения стержня.

Воспользуемся методом сечений. Делаем по одному сечению в произвольном месте каждого из трех участков стержня.

Cечение 1 – 1. Отбросим (или закроем листком бумаги) верхнюю часть стержня (рис. 3.2, б). Само сечение 1 – 1 мысленно считаем неподвижным. Мы видим, что внешняя сила растягивает рассматриваемую нижнюю часть стержня. Отброшенная нами верхняя часть стержня противодействует этому растяжению. Это противодействие мы заменим внутренней продольной силой , направленной от сечения и соответствующей растяжению. Разрушения стержня не произойдет только в том случае, если возникающая в сечении 1 – 1 внутренняя продольная сила уравновесит внешнюю силу . Поэтому очевидно, что

Сечение 2 – 2. Внешняя сила растягивает рассматриваемую нами нижнюю часть стержня, а сила ее сжимает (напомним, что 2 – 2 мы мысленно считаем неподвижным). Причем, согласно условию задачи, . Чтобы уравновесить эти две силы, в сечении 2 – 2 должна возникнуть внутренняя сила , противодействующая сжатию, то есть направленная к сечению. Она равна:

Сечение 3 – 3. Отбросим теперь часть стержня, расположенную ниже этого сечения. Внутренняя продольная сила должна уравновесить внешнюю (реактивную) сжимающую силу . Поэтому она направлена к сечению и равна:

Легко убедиться в том, что полученный результат не изменится, если мы отбросим не нижнюю, а верхнюю часть стержня. В этом случае продольная сила также противодействует сжатию. Она равна:

При построении эпюры продольных сил будем пользоваться следующим правилом знаков: внутренняя продольная сила, возникающая в поперечном сечении стержня, считается положительной, если она противодействует растяжению стержня, и отрицательной, если она противодействует его сжатию. Оно вводится для того, чтобы можно было наглядно видеть, какая часть стержня испытывает деформацию растяжения, а какая часть – деформацию сжатия. Это обстоятельство может оказаться крайне важным, в частности для стержней из хрупкого материала, которые имеют разные допускаемые напряжения на растяжение и на сжатие.

Таким образом, мы установили, что в любом сечении нижнего участка стержня внутренняя продольная сила противодействует растяжению и равна кН. В любом сечении среднего и верхнего участков стержня имеет место деформация сжатия, поэтому кН.

Для построения эпюры продольных сил проводим тонкой линией ось, параллельную оси стержня z (рис. 3.2, д). Вычисленные значения продольных сил в выбранном масштабе и с учетом их знака откладываем от этой вертикальной оси. В пределах каждого из участков стержня продольная сила остается постоянной, поэтому мы как бы «заштриховываем» горизонтальными линиями соответствующий участок.

Отметим, что каждая линия «штриховки» (то есть ордината эпюры) в принятом масштабе дает значение продольной силы в соответствующем поперечном сечении стержня.

Полученную эпюру обводим жирной линией.

Анализируя полученную эпюру, мы видим, что в местах приложения внешних сил на эпюре имеет место скачкообразное изменение продольной силы на величину, равную значению соответствующей внешней силы. Причем изменение поперечного размера стержня, как это видно из рис. 3.2, д, никак не сказывается на характере эпюры .

Строим эпюру нормальных напряжений

Нормальное напряжение, возникающее в k–м поперечном сечении стержня при растяжении (сжатии), вычисляется по следующей формуле

где и – продольная сила и площадь k–го поперечного сечения стержня соответственно.

В первом поперечном сечении стержня нормальное напряжение равно

Строим по вычисленным значениям эпюру (рис. 3.2, е). В пределах каждого из участков стержня напряжения постоянны, то есть эпюра напряжений параллельна оси. Заметим, что в отличие от эпюры N, на эпюре «скачок» имеет место не только в местах приложения внешних сил, но и там, где происходит изменение размеров поперечного сечения стержня.

Оцениваем прочность стержня

Сопоставляем наибольшее (по модулю) нормальное напряжение , которое в нашем примере возникает во втором сечении стержня, с допускаемым напряжением . Напомним, что допускаемое напряжение представляет собой долю от предельного напряжения , то есть от напряжения, при котором начинается разрушение материала. Разрушение стали, как пластичного материала, начинается при появлении значительных остаточных деформаций. Поэтому для стали предельное напряжение равно пределу текучести: . Тогда

Условие прочности имеет вид . В нашем случае

следовательно, прочность стержня на втором участке не обеспечена.

Таким образом, площадь поперечного сечения стержня на втором участке, равную см2, нам необходимо увеличить.

Несложный анализ показывает, что на других участках стержня условие прочности выполняется.

Из условия прочности определяем требуемую площадь поперечного сечения стержня на втором участке:

Принимаем на втором участке см2.

Вычисляем удлинение всего стержня

При переменных по длине стержня значениях продольной силы и площади поперечного сечения удлинение вычисляется по формуле

где E – модуль Юнга, а – длина соответствующего участка стержня.

Таким образом, длина стержня уменьшается на мм.

Задача по сопромату на растяжение и сжатие для самостоятельного решения

Условие задачи на растяжение и сжатие

Стальной стержень (модуль Юнга кН/см2) находится под действием внешних осевых сил и (рис. 3.1). Построить эпюры продольных сил и нормальных напряжений . Оценить прочность стержня, если предельное напряжение (предел текучести) кН/см2, а допускаемый коэффициент запаса . Найти удлинение стержня .

Техническая механика

Решение задач по сопромату

Примеры решения задач по сопротивлению материалов

Как и в предыдущей статье, на этой странице приведены основные принципы решения задач технической механики на примере простейших заданий, в которых необходимо определить какие-либо силовые факторы, возникающие в конструкциях и телах напряжения, построить эпюры и т. п. Сопротивление материалов является базовой основой для решения вопросов наиболее практического раздела технической механики — «Детали машин».

Решение задачи на растяжение и сжатие

Построить эпюру напряжений в ступенчатом круглом брусе, нагруженном продольными силами и указать на наиболее напряженный участок.
Весом бруса пренебречь.

При построении эпюры напряжений используем метод сечений, рассматривая отдельные участки бруса, как самостоятельные его элементы, находящиеся в состоянии равновесия под действием реальных и условных нагрузок. При этом исследование сечений начинаем со стороны свободного конца бруса, т. е. со стороны, где приложены известные нам силы.
Сначала разбиваем весь брус на однородные участки, границами которых служат точки приложения силовых факторов и (или) изменение размеров сечения. Для нашего бруса можно выделить три таких однородных участка — I, II, III (см. схему 2) .

Для каждого из участков определяем нормальные напряжения в сечениях по формуле σ = F/A , где: F — величина продольной силы в сечении, А — площадь сечения. При этом следует учитывать знаки: если сила растягивающая, то ее условно считают положительной, если сжимающая — отрицательной. Соответственно, напряжения будут иметь такие же знаки, как и силы.

После подсчетов получим:
σI = F1/A = — 100×10 3 /0,1 = -1000000 Па (-1 МПа),
σII = F1/2A = — 100×10 3 /2×0,1 = -500000 Па (-0,5 МПа),
σIII = (F2 — F1)/A = (400 — 100)×10 3 /0,1 = 3000000 Па (3 МПа).

Построение эпюры напряжений начинаем с проведения линии, параллельной оси бруса (эта линия условно изображает брус и является нулевой ординатой графика эпюры) . Затем, начиная от свободного конца бруса, откладываем от линии, как от нулевой ординаты, величины напряжений по каждому участку с учетом их знаков.
На брусе, приведенном в задании, величина напряжений в каждом сечении отдельных участков будет одинакова, и лишь в граничных (расположенных между соседними участками) сечениях появится скачок напряжения в виде ступени (здесь используется принцип Сен-Венана, условно полагающий, что в месте приложения нагрузки напряжение изменяется скачкообразно) .

Построение эпюры завершается указанием на ее площадках знаков напряжения в кружках, проведением тонких линий перпендикулярно оси (нулевой ординаты) эпюры (эти линии условно изображают сечения бруса) и расстановкой величины напряжений на внешних углах графика (на внутренних углах цифровые обозначения не наносятся) . Слева от эпюры указывается, что на ней изображено (в нашем случае — Эпюра σ )

В результате построений мы получим график (эпюру) распределения напряжений по каждому сечению бруса, визуальное исследование которого позволяет определить наиболее напряженный участок. Для бруса, представленного в задаче, максимальные напряжения возникают в сечениях участка III (см. схему) . Поскольку эти напряжения положительны, они являются растягивающими

Решение задачи с использованием закона Гука

Определить величину растягивающей силы F , если известно, что под ее действием брус удлинился на величину ΔL .

Решить задачу можно, используя известную зависимость между линейными удлинениями и нагрузками (закон Гука).
Согласно закону Гука, представленному в расширенном виде:

ΔL = FL/(EA) , откуда: F = (ΔLEA)/L .

Поскольку сила F приложена не к крайнему сечению бруса, а к его середине, то удлинился лишь участок между жесткой заделкой и сечением, к которому приложена растягивающая сила, имеющий длину L1 = 2 м.
Учитывая это, определяем силу, вызвавшую удлинение бруса (не забываем привести все величины к единицам системы СИ):

F = (ΔLEA)/L1 = (0,005×10 -3 ×2×10 11 ×0,01)/2 = 5000 Н = 5,0 кН .

Решение задачи на срез и смятие

Венец зубчатого колеса прикреплен к ступице болтовыми соединениями из шести болтов с гайками, размещенными равномерно по окружности диаметром D .
Определить касательные напряжения сдвига (среза), действующие в каждом из болтов при номинальной нагрузке.
При расчете не учитывать ослабление стержня болта впадинами резьбы.

Для решения задачи воспользуемся зависимостью между напряжением среза, внешней нагрузкой и площадью сечения по плоскости среза:

где: τср — касательное напряжение среза, Fокр — окружная сила на расстоянии от оси вращения до центра болта, A — площадь сечения (в нашем случае — площадь поперечного сечения 6 болтов) .

Окружную силу можно определить, зная крутящий (вращающий) момент на валу зубчатого колеса и расстояние от оси вращения зубчатого колеса до центра болта:
Fокр = 2Мкр/D.
Площадь сечения одного болта: А(1) = πd 2 /4, шести болтов: А = 3πd 2 /2 .
Подставив эти значения в исходную формулу, определим касательное напряжение сдвига (среза) болта:

τср = Fокр /A = (2Мкр/D) / (3πd 2 /2) = (2×10/0,4) / (3×3,14 0,01 2 /2) ≈ 106 000 Па (или 0,106 МПа) .

Решение задачи на срез и смятие шпонки

Произвести проверочный расчет призматической шпонки на смятие.

Решение задачи сводится к определению напряжения смятия, возникающего в продольном сечении шпонки, выступающем над канавкой вала (рабочая площадь шпонки) . Это напряжение можно определить из формулы:

где: σсм — искомое напряжение смятия,
Fокр — окружная сила, действующая на рабочую поверхность шпонки: Fокр = Т/r.

Учитывая, что высота рабочей поверхности шпонки невелика, можно принять для расчета напряжения окружную силу, действующую на расстоянии r от оси вращения вала (радиус вала). Если необходимо выполнить более точный расчет, следует к радиусу вала прибавить половину высоты рабочей поверхности шпонки (в нашем случае — h/4).

Aраб — площадь шпонки, подвергаемая смятию: Aраб = hlр /2 (здесь lр — рабочая длина шпонки) .

Подставив полученные значения окружной силы и площади шпонки, работающей на смятие, в формулу (1) , получим:

σсм = Fокр /Aраб = (Т/r) / (hlр /2) = (120/0,03) / (0,003×0,03/2) = 88 900 000 Па (или 88,9 МПа) .

Полученное напряжение сравниваем с допускаемым напряжением смятия [σсм] = 200 МПа, и делаем вывод, что шпонка выдержит нагрузку.

Решение задачи на кручение

Построить эпюру вращающих моментов для круглого однородного бруса, представленного на схеме. Указать наиболее нагруженный участок бруса и определить напряжение в его сечениях.

Построение эпюр вращающих (крутящих моментов) начинаем со стороны свободного конца бруса, откладывая величины крутящих моментов от оси абсцисс (нулевой ординаты) бруса с соблюдением знаков моментов (см. схему) .

Из эпюры очевидно, что максимальный крутящий момент возникает в сечениях участка I: Мкр = 500 Нм. Для определения напряжения (при кручении возникает касательное напряжение), воспользуемся зависимостью, полученной ранее:

где: Wr ≈ 0,2d 3 — момент сопротивления круглого сечения кручению (или полярный момент сопротивления круглого сечения).

Подставив полученные зависимости и их числовые значения в формулу, получим максимальное напряжение τmax , возникающее в сечениях участка I при кручении бруса:

τmax ≈ Мкр / 0,2d 3 ≈ 500/0,2×0,05 3200 000 000 Па (или 200 МПа).

С правилами и примерами построения эпюр при деформации кручения можно ознакомиться здесь.

Решение задачи на изгиб

Определить максимальное нормальное напряжение, возникающее в сечении круглого бруса, расположенном рядом с жесткой заделкой, если к свободному концу бруса приложена поперечная сила F .
Вес бруса не учитывать.

Изгибающий момент силы F и возникающие в сечениях бруса напряжения зависят от расстояния между линией приложения (вектором) силы и плоскостью рассматриваемого сечения (очевидно, что величина изгибающего момента находится в прямо пропорциональной зависимости от расстояния до вектора силы) . Поэтому для данного бруса изгибающий момент достигает максимального значения в сечении рядом с жесткой заделкой:

Миmax = FL = 1000×5 = 5000 Нм.

Максимальные нормальные напряжения в этом сечении можно определить по формуле:

где: W0,1d 3 — момент сопротивления круглого сечения изгибу (или осевой момент сопротивления круглого сечения). Подставив зависимости и их величины в формулу, получим:

σmax Миmax / 0,1d 3 5000/0,1х0,1 350 000 000 Па (или 50 МПа).

Решение задачи на изгиб с построением эпюр

Построить эпюру поперечных сил и изгибающих моментов, действующих на защемленный одним концом брус (см. схему).

Для построения эпюр определим границы участков бруса, в пределах которых внешние нагрузки и размеры сечений одинаковы. Для данного бруса можно выделить два таких участка (см. схему) .

Далее, используя метод сечений, строим эпюру поперечных сил, учитывая знаки. Очевидно, что на первом участке поперечная сила будет постоянной во всех сечениях, и эпюра представляет собой горизонтальную линию, отстоящую от оси эпюры на величину -F (сила отрицательная).

В среднем сечении бруса начинает действовать распределенная нагрузка, которая линейно увеличивается и суммируется с поперечной силой F в каждом последующем сечении бруса по направлению к жесткой заделке. Поскольку эпюра поперечных сил на втором участке представляет собой отрезок наклонной прямой, то для ее построения достаточно определить величину поперечной силы в середине бруса (очевидно, что здесь F = 50 Н) и величину поперечной силы в сечении рядом с жесткой заделкой:
F2 = — FL — 6q = -50 — 10×6 = -110 Н.
По полученным значениям строим эпюру поперечных сил F (см. схему) .

Построение эпюры изгибающих моментов строится аналогично эпюре поперечных сил — при помощи метода сечений. При этом учитывается расстояние от сечения, в котором приложена поперечная сила, до рассматриваемого сечения (плечо силы).
Очевидно, что изгибающий момент от силы F будет увеличиваться прямо пропорционально по мере удаления от сечения, к которому она приложена, причем в крайнем сечении (где приложена сила) момент этой силы равен нулю (поскольку плечо силы равно нулю) .
В среднем сечении бруса изгибающий момент достигает значения: Ми = FL/2 = -50×6 = -300 Нм .

Начиная с середины бруса начинает действовать изгибающий момент от распределенной нагрузки q, который в каждом сечении определяется, как произведение приведенной силы Fпр = ql на половину расстояния l (здесь l — расстояние от рассматриваемого сечения до начала действия распределенной нагрузки) .
Очевидно, что по мере удаления от среднего сечения к жесткой заделке изгибающий момент от распределенной нагрузки q изменяется по квадратичной зависимости, и линия эпюры изгибающих моментов на втором участке представляет собой параболу.

Чтобы построить параболу недостаточно двух точек, необходимо определить величину изгибающего момента в нескольких сечениях бруса (на втором участке) . При этом следует учитывать изгибающий момент от силы F, который суммируется с изгибающим моментом от распределенной нагрузки q на данном участке бруса.
Максимальной величины изгибающий момент достигает в сечении рядом с жесткой заделкой:

Миmax = — FL + [-q×(L/2)×(L/4)] = -50×12 + [-10×(12/2)×(12/4)] = -780 Нм.

Выполнив необходимые подсчеты, строим эпюру изгибающих моментов, начиная со свободного конца бруса (см. схему) .

Примеры решения задач по сопромату

Приветствую тебя, читатель сайта — sopromats. ru, на котором размещено много полезной и интересной информации о сопромате и не только. Сегодня я решил написать большую статью о примерах решения задач по сопромату, которые размещены на этом ресурсе. Все примеры было решено классифицировать на три категории: по виду деформации, по виду рассчитываемого объекта и по типу расчета. Эти категории имеют три уровня вложенности. Например, в категории — по виду деформации входят задачи, связанные с изгибом, кручением, растяжением (сжатием) и сложным сопротивлением. В свою очередь, решения на изгиб классифицируются на статически определимые и неопределимые. Для того, чтобы найти нужную категорию перемещайтесь по указанным ссылкам на страничках. Также хотелось бы отметить, что на данный момент на сайте преобладают рукописные примеры решения. Но наша команда, активно работает над добавлением электронных материалов: с качественными схемами и набранными в цифровом виде расчетами. По мере развития сайта, все рукописные записи, планируется заменить цифровыми. Ну что же перейдем непосредственно к нашим примерам.

Классификация по виду деформации

Как уже говорилось выше, здесь все примеры отсортированы по виду деформации: растяжению и сжатию, кручению, изгибу и сложному сопротивлению. В категорию задач на сложное сопротивление попадают такие популярные решения на такие темы как изгиб с кручением, внецентренное растяжение (сжатие), косой изгиб. Теперь давайте перейдем непосредственно к категориям и не забывайте переходить по ссылкам на интересующую вас подкатегории.

Что можно найти в данной категории задач?

  • определение реакций в опорах из уравнений равновесия статики;
  • расчет ВСФ методом сечений;
  • вычисление продольной и поперечной силы;
  • расчет изгибающего момента;
  • расчет нормальных и касательных напряжений;
  • вычисление перемещений поперечных сечений;
  • раскрытие статической неопределимости с использованием уравнения совместности деформации.

Растяжение и сжатие

  • статически определимые брусья;
  • статически неопределимые брусья;
  • статически определимые стержневые системы;
  • статически неопределимые стержневые системы.

  • статически определимое кручение;
  • статически неопределимое кручение.

  • статически определимый изгиб;
  • статически неопределимый изгиб.

Классификация по типу рассчитываемого объекта

В этом разделе все решения распределены по типу рассчитываемого объекта: на балки, рамы, фермы и т. д. Каждая представленная здесь категория имеет укрупненную классификацию, которую можно изучить, перейдя по соответствующим ссылкам.

  • статически определимые балки;
  • статически неопределимые балки.

  • статически определимые валы;
  • статически неопределимые валы.

  • статически определимые рамы;
  • статически неопределимые рамы.

  • определение реакций в опорах фермы;
  • определение продольных усилий в стержнях методом вырезания узлов, либо методом Риттера.
  • построение линий влияния.

В разделе про сечения, связанные с расчетом геометрических характеристик, принята следующая классификация:

  • симметричные и несимметричные сечения, состоящие из геометрических примитивов;
  • симметричные и несимметричные сечения, состоящие из металлопрокатных профилей.

Классификация по типу расчета

В этом разделе материалы разделены по типу расчета. Сюда попали расчеты на прочность, жесткость и устойчивость. Здесь же находятся задачи, связанные с расчетом напряжений, эпюр внутренних силовых факторов и другие.

В этой категории находятся задачи, связанные с расчетом прочности, при различных видах деформации: изгибе, кручении, растяжении (сжатии) и сложном сопротивлении. Здесь можно встретить как проверочные, так и проектировочные расчета. Найти расчеты на грузоподъемность какой-либо системы.

В расчетах на жесткость, можно найти задачах, в которых исследуются различные элементы конструкций: балки, рамы, валы и другие. Во всех задачах проверяется жесткость, путем сравнения расчетных значений перемещений с допустимыми значениями.

Устойчивость

В примерах на устойчивость, можно найти задачи, связанные с подбором сечения стоек из условия устойчивости, либо расчетом грузоподъемности.

Данная категория, связанна с расчетом эпюр внутренних силовых факторов, при различных видах деформации: растяжении и сжатии, кручении, изгибе и сложном сопротивлении. Есть эпюры, которые откладываются со стороны растянутых волокон (строителям) и сжатых волокон (машиностроителям).