Определение моментов инерции составных частей сечений. Моменты инерции сечения и их виды. Моменты инерции относительно параллельных осей

При проверке прочности частей конструкций нам приходится встречаться с сечениями довольно сложной формы, для которых нельзя вычислить момент инерции таким простым путем, каким мы пользовались для прямоугольника и круга.

Таким сечением может быть, например, тавр (Рис.5 а ) кольцевое сечение трубы, работающей на изгиб (авиационные конструкции) (Рис.5, б ), кольцевое сечение шейки вала или еще более сложные сечения. Все эти сечения можно разбить на простейшие, как-то: прямоугольники, треугольники, круги и т.д. Можно показать, что момент инерции такой сложной фигуры является суммой моментов инерции частей, на которые мы ее разбиваем.

Рис.5. Сечения типа тавр — а) и кольцо б)

Известно, что момент инерции любой фигуры относительно оси у — у равен:

где z — расстояние элементарных площадок до оси у —у .

Разобьем взятую площадь на четыре части: , , и . Теперь при вычислении момента инерции можно сгруппировать слагаемые в подинтегральной функции так, чтобы отдельно произвести суммирование для каждой из выделенных четырех площадей, а затем эти суммы сложить. Величина интеграла от этого не изменится.

Наш интеграл разобьется на четыре интеграла, каждый из которых будет охватывать одну из площадей, , и :

Каждый из этих интегралов представляет собой момент инерции соответствующей части площади относительно оси у — у ; поэтому

где — момент инерции относительно оси у — у площади , — то же для площади и т. д.

Полученный результат можно формулировать так: момент инерции сложной фигуры равен сумме моментов инерции составных ее частей. Таким образом, нам необходимо уметь вычислять момент инерции любой фигуры относительно любой оси, лежащей в ее плоскости.

Решение этой задачи и составляет содержание настоящей и последующих двух собеседований.

Моменты инерции относительно параллельных осей.

Задачу — получить наиболее простые формулы для вычисления момента инерции любой фигуры относительно любой оси — будем решать в несколько приемов. Если взять серию осей, параллельных друг другу, то оказывается, что можно легко вычислить моменты инерции фигуры относительно любой из этих осей, зная ее момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести фигуры параллельно выбранным осям.

Рис.1. Расчетная модель определения моментов инерции для параллельных осей.

Оси, проходящие через центр тяжести, мы будем называть центральными осями . Возьмем (Рис.1) произвольную фигуру. Проведем центральную ось Оу , момент инерции относительно этой оси назовем . Проведем в плоскости фигуры осьпараллельно оси у на расстоянии от нее. Найдем зависимость между и — моментом инерции относительно оси . Для этого напишем выражения для и . Разобьем площадь фигуры на площадки ; расстояния каждой такой площадки до осей у и назовем и . Тогда

Из рис.1 имеем:

Первый из этих трех интегралов — момент инерции относительно центральной оси Оу . Второй — статический момент относительно той же оси; он равен нулю, так как ось у проходит через центр тяжести фигуры. Наконец, третий интеграл равен площади фигуры F . Таким образом,

(1)

т. е. момент инерции относительно любой оси равен моменту инерции относительно центральной оси, проведенной параллельно у данной, плюс произведение площади фигуры на квадрат расстояния между осями.

Значит, наша задача теперь свелась к вычислению только центральных моментов инерции; если мы их будем знать, то сможем вычислить момент инерции относительно любой другой оси. Из формулы (1) следует, что центральный момент инерции является наименьшим среди моментов инерции относительно параллельных осей и для него мы получаем:

Найдем также центробежный момент инерции относительно осей , параллельных центральным, если известен (Рис.1). Так как по определению

где: , то отсюда следует

Так как два последних интеграла представляют собой статические моменты площади относительно центральных осей Оу и Oz то они обращаются в нуль и, следовательно:

(2)

Центробежный момент инерции относительно системы взаимно перпендикулярных осей, параллельных центральным, равен центробежному моменту инерции относительно этих центральных осей плюс произведение из площади фигуры, на координаты ее центра тяжести относительно новых осей.

Зависимость между моментами инерции при повороте осей.

Центральных осей можно провести сколько угодно. Является вопрос, нельзя ли выразить момент инерции относительно любой центральной оси в зависимости от момента инерции относительно одной или двух определенных осей. Для этого посмотрим, как будут меняться моменты инерции относительно двух взаимно перпендикулярных осей при повороте их на угол .

Возьмем какую-либо фигуру и проведем через ее центр тяжести О две взаимно перпендикулярные оси Оу и Oz (Рис.2).

Рис.2. Расчетная модель для определения моментов инерции для повернутых осей.

Пусть нам известны осевые моменты инерции относительно этих осей , , а также центробежный момент инерции . Начертим вторую систему координатных осей и наклоненных к первым под углом ; положительное направление этого угла будем считать при повороте осей вокруг точки О против часовой стрелки. Начало координат О сохраняем. Выразим моменты относительно второй системы координатных осей и , через известные моменты инерции и .

Напишем выражения для моментов инерции относительно этих осей:

Аналогично:

Для решения задач могут понадобиться формулы перехода от одних осей к другим для центробежного момента инерции. При повороте осей (Рис.2) имеем:

где и вычисляются по формулам (14.10); тогда

После преобразований получим:

(7)

Таким образом, для того чтобы вычислить момент инерции относительно любой центральной оси , надо знать моменты инерции и относительно системы каких-нибудь двух взаимно перпендикулярных центральных осей Оу и Oz , центробежный момент инерции относительно тех же осей и угол наклона оси к оси у .

Для вычисления же величин > , приходится так выбирать оси у и z и разбивать площадь фигуры на такие составные части, чтобы иметь возможность произвести это вычисление, пользуясь только формулами перехода от центральных осей каждой из составных частей к осям, им параллельным. Как это сделать на практике, будет показано ниже на примере. Заметим, что при этом вычислении сложные фигуры надо разбивать на такие элементарные части, для которых по возможности известны величины центральных моментов инерции относительно системы взаимно перпендикулярных осей.

Заметим, что ход вывода и полученные результаты не изменились бы, если бы начало координат было взято не в центре тяжести сечения, а в любой другой точке О . Таким образом, формулы (6) и (7) являются формулами перехода от одной системы взаимно-перпендикулярных осей к другой, повернутой на некоторый угол , независимо от того, центральные это оси или нет.

Из формул (6) можно получить еще одну зависимость между моментами инерции при повороте осей. Сложив выражения для и получим

т. е. сумма моментов инерции относительно любых взаимно перпендикулярных осей у и z не меняется при их повороте. Подставляя последнее выражение вместо и их значения, получим:

где — расстояние площадок dF от точки О . Величина является, как уже известно, полярным моментом инерции сечения относительно точки О .

Таким образом, полярный момент инерции сечения относительно какой-либо точки равен сумме осевых моментов инерции относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через эту точку. Поэтому эта сумма и остается постоянной при повороте осей. Этой зависимостью (14.16) можно пользоваться для упрощения вычисления моментов инерции.

Так, для круга:

Так как по симметрии для круга то

что было получено выше путем интегрирования.

Точно также для тонкостенного кольцевого сечения можно получить:

Главные оси инерции и главные моменты инерции.

Как уже известно, зная для данной фигуры центральные моменты инерции , и , можно вычислить момент инерции и относительно любой другой оси.

При этом можно за основную систему осей принять такую систему, при которой формулы существенно упрощаются. Именно, можно найти систему координатных осей, для которых центробежный момент инерции равен.нулю. В самом деле, моменты инерции и всегда положительны, как суммы положительных слагаемых, центробежный же момент

может быть и положительным и отрицательным, так как слагаемые zydF могут быть разного знака в зависимости от знаков z и у для той или иной площадки. Значит, он может быть равен нулю.

Оси, относительно которых центробежный момент инерции обращается в нуль, называются главными осями инерции. Если начало такой системы помещено в центре тяжести фигуры, то это будут главные центральные оси . Эти оси мы будем обозначать и ; для них

Найдем, под каким углом наклонены к центральным осям у и z (фиг. 198) главные оси.

Рис.1. Расчетная модель для определения положения главных осей инерции.

В известном выражении для перехода от осей yz к осям , для центробежного момента инерции дадим углу значение ; тогда оси и , совпадут c главными, и центробежный момент инерции будет равен нулю:

(1)

Этому уравнению удовлетворяют два значения , отличающиеся на 180°, или два значения , отличающиеся на 90°. Таким образом, это уравнение дает нам положение двух осей , составляющих между собой прямой угол. Это и будут главные центральные оси и , для которых .

Пользуясь этой формулой, можно по известным , и получить формулы для главных моментов инерции и . Для этого опять воспользуемся выражениями для осевых моментов инерции общего положения. Они определяют значения и если вместо подставить

(2)

Полученными соотношениями можно пользоваться при решении задач. Одним из главных моментов инерции является , другим .

Формулы (2) можно преобразовать к виду, свободному от значения . Выражая и через и подставляя их значения в первую формулу (2), получим, делая одновременно замену из формулы (1):

Заменяя здесь из формулы (1) дробь на

получаем

(3)

К этому же выражению можно прийти, делая подобное же преобразование второй формулы (3).

За основную систему центральных осей, от которых можно переходить к любой другой, можно взять не Оу и Oz , а главные оси и ; тогда в формулах не будет фигурировать центробежный момент инерции (). Обозначим угол, составленный осью , (Рис.2) с главной осью , через . Для вычисления , и , переходя от осей и нужно в ранее найденных выражениях для , и , заменить угол через , а , и — через , и . В результате получаем:

По своему виду эти формулы совершенно аналогичны формулам для нормальных и касательных напряжений по двум взаимно-перпендикулярным площадкам в элементе, подвергающемся растяжению в двух направлениях. Укажем лишь формулу, позволяющую из двух значений угла выделить то, которое соответствует отклонению первой главной оси (дающей max J ) от начального положения оси у :

Теперь можно окончательно формулировать, что надо сделать, чтобы получить возможность простейшим образом вычислять момент инерции фигуры относительно любой оси. Необходимо через центр тяжести фигуры провести оси Оу и Oz так, чтобы, разбивая фигуру на простейшие части, мы могли легко вычислить моменты , проходящей на расстоянии (рис.2) от центра тяжести:

Во многих случаях удается сразу провести главные оси фигуры; если фигура имеет ось симметрии, то это и будет одна из главных осей. В самом деле, при выводе формулы мы уже имели дело с интегралом , представляющим собой центробежный момент инерции сечения относительно осей у и z ; было доказано, что если ось Oz является осью симметрии, этот интеграл обращается в нуль.

Стало быть, в данном случае оси Оу и Oz являются главными центральными осями инерции сечения. Таким образом, ось симметрии — всегда главная центральная ось; вторая главная центральная ось проходит через центр тяжести перпендикулярно к оси симметрии.

Пример. Найти моменты инерции прямоугольника (Рис.3) относительно осей и равны:

Моменты инерции относительно осей и равны:

Центробежный момент инерции равен.

Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Шрифт:

100% +

22. Статический момент сечения

Расчеты на прочность показывают, что напряжение и деформации, возникающие в твердом теле, зависят от внутренних силовых факторов и геометрических характеристик поперечного сечения. При растяжении, например, напряжение зависит от площади поперечного сечения, и, так как напряжение в этом случае распределяется по сечению равномерно, не зависит от формы сечения. При кручении напряжения зависят от размеров и формы сечения из-за неравномерного распределения напряжений. В расчетные формулы бруса при кручении входят полярный момент инерции I p и полярный момент сопротивления W p – геометрические характеристики сечения. Проводя расчеты на прочность бруса при изгибе, необходимо знать моменты инерции и моменты сопротивления сечения относительно осей, проходящих через центр тяжести бруса. Возьмем для рассмотрения некоторое сечение бруса площадью A и ось, проходящую через центр тяжести этого тела. Статическим моментом плоского сечения относительно некоторой оси x называется сумма произведений площадей элементарных площадок, из которых состоит сечение, на расстояния этих площадок до оси, проходящей через центр тяжести. Аналогично для оси y .

Статический момент измеряется в кубических метрах. Он может быть положительным, отрицательным или равным нулю в зависимости от выбранной оси. Если известны статические моменты и площадь сечения, то координаты центра тяжести могут быть определены как отношение статического момента к площади поперечного сечения. И наоборот, если координаты центра тяжести сечения известны – x c , y c , статический момент равен произведению площади сечения на расстояния от центра тяжести до оси.

S x = Ay c

S y = Ax c

Из полученных соотношений видно, что в случае, когда ось проходит через центр тяжести, статический момент равен нулю.

В случае, когда сечение можно рассматривать как n -ное количество составляющих частей с известными площадями A i и координатами центров тяжести x i , y i , положение всего центра тяжести можно определить как сумму произведений:

Каждое слагаемое в числителе определяет статический момент данного участка относительно выбранной оси.

23. Момент инерции сечения

Осевым (или экваториальным) моментом инерции плоского сечения относительно некоторой оси x называется сумма произведений площадей элементарных площадок, из которых состоит сечение на квадрат расстояния этих площадок до оси, проходящей через центр тяжести. Таким образом, осевые моменты представляют собой интегралы по всей площади сечения.

Полярным моментом инерции относительно некоторой точки (полюса) называется сумма произведений площадей элементарных площадок, из которых состоит сечение, на квадрат расстояния этих площадок до выбранной точки.

Центробежным моментом инерции относительно некоторых двух взаимно перпендикулярных осей называется сумма произведений элементарных площадок, из которых состоит сечение, на расстояния этих площадок до этих осей.

Моменты инерции измеряются в м 4 . Осевые и полярный моменты инерции могут быть только положительными, так как при любом знаке координаты в формуле берется квадрат этой координаты. Центробежный момент инерции может быть положительным, отрицательным и равным нулю.

Сумма осевых моментов инерции относительно двух взаимно перпендикулярных осей равна полярному моменту инерции относительно точки, где эти оси пересекаются.

I ρ = I x +I y

Действительно, ρ – это расстояние от элементарной площадки сечения до некоторой точки, он определяется как гипотенуза треугольника со сторонами x и y .

ρ 2 = x 2 + y 2

Подставим это соотношение в выражение для полярного момента инерции и получим:

24. Моменты инерции простых сечений

Рассмотрим моменты инерции некоторых простых фигур.

Круг. I ρ = I x +I y . Так как круг – симметричная фигура, то I x = I y . Следовательно, I ρ = 2I x . Исходя из определения полярного момента инерции и соотношения для полярного момента инерции и осевых моментов инерции в случае круга имеем:

Для кольца диаметром d и внутренним диаметром d 0

Полукруг . Главные центральные оси представляют собой ось симметрии этого полукруга и перпендикулярную ей ось. Для полукруга момент инерции в два раза меньше, чем момент инерции круга для той же самой оси. Если обозначить x 1 ось основания, то

Из соотношения, связывающего моменты инерции параллельных осей, одна из которых является центральной, и, зная значение ординаты центра тяжести полукруга y c ≈ 0.424r можно определить моменты инерции полукруга:

Прямоугольник . Определим момент инерции I x1 , совпадающий с основанием прямоугольника, и рассмотрим сечение A как сумму элементарных прямоугольников шириной b и высотой dy 1 , A = bdy 1

Для моментов инерции параллельных осей, одна из которых является центральной, I x = I x1 – a 2 A . В данном случае расстояние a = h / 2, A = bh , момент инерции относительно осей x и y

I x = bh 3 / 12

I y = hb 3 / 12

В частном случае квадрата

I x = I y = b 4 / 12

Для треугольника вычислим момент инерции I x1 , относительно оси x 1 , совпадающей с основанием, и для этого рассмотрим сечение как сумму элементарных прямоугольников шириной b . После выполнения математических преобразований найдем значение I x = bh 3 / 12. Момент инерции относительно центральной оси равен I x = I x1 - a 2 b , в данном случае a = h / 3, A = (1 / 2)bh . В итоге получим:

I x = bh 3 / 12 – (h / 3 ) 3 (1 / 2)bh = bh 3 / 36

В общем случае ось x не является главной и

I y = bh 3 / 48

25. Зависимость между моментами инерции относительно параллельных осей

Установим зависимость между моментами инерции относительно параллельных осей, одна из которых является центральной. Для этого рассмотрим сечение площадью А . (Рис. 10) Предположим, что известны координаты центра тяжести сечения C и моменты инерции I xc , I yc относительно центральных осей x c , y c . В таком случае можно определить моменты инерций относительно осей x и y , параллельных центральным и удаленным от центральных на расстояние a и b соответственно. Запишем соотношение для координат параллельных осей:

x = x c + b

y = y c + a

Тогда момент инерции сечения относительно оси x запишется в виде:

В этом выражении первое слагаемое представляет собой момент инерции относительно оси x c , во втором слагаемом интеграл представляет статический момент (а относительно центральной оси статический момент всегда равен нулю), третье слагаемое – это площадь сечения, умноженная на квадрат расстояния между осями а . Таким образом:

I x = I xc + a 2 A

I y = I yc + b 2 A

Момент инерции относительно какой-либо оси равен сумме момента инерции относительно центральной оси, параллельной данной, и произведения площади сечения фигуры на квадрат расстояния между осями.

Мы получили соотношение для моментов инерции относительно центральных осей при переходе к параллельным им нецентральным. Эти соотношения носят также название формул параллельного переноса.

Из полученных формул понятно, что момент инерции относительно центральной оси всегда меньше, чем момент инерции любой параллельной ей нецентральной.

26. Главные оси инерции и главные моменты инерции

Через любую точку плоскости сечения можно провести бесчисленное множество пар взаимно перпендикулярных осей. Так как сумма двух осевых моментов инерции сечения представляет собой полярный момент и является постоянной величиной, то, перемещая систему координат, можно подобрать такое положение осей, в котором один из выбранных моментов инерции будет максимальным, а второй – минимальным. Рассмотрим зависимость между моментами инерции относительно осей x 0 , y 0 и моментами инерции относительно осей x и y , повернутыми на угол α относительно x 0 , y 0 . Найдем такие значения угла α, при которых моменты инерции перпендикулярных осей примут свои максимальное и минимальное значения. Для этого найдем первую производную по углу поворота от I x , I y и приравняем ее нулю (математическое правило нахождения экстремумов функции).

После преобразований соотношение примет вид:

Полученная формула определяет положение двух взаимно перпендикулярных осей, момент инерции относительно одной из которых максимален, момент инерции относительно другой минимален. Такие оси носят название главных осей инерции . Моменты инерции относительно таких осей называются главными моментами инерции . При этом центробежный момент равняется нулю.

Оси, проходящие через центр тяжести сечения, носят название центральных осей. В практических расчетах интерес представляют главные моменты инерции относительно центральных осей, их называют главными центральными моментами инерции , а такие оси – главными центральными осями . Так как интерес представляют только центральные оси, то для краткости их называют просто главными осями, и осевые моменты инерции, вычисленные относительно таких осей называют просто главными моментами инерции.

Одной из главных осей инерции является ось, проходящая через центр симметрии плоскости сечения, вторая – перпендикулярная ей. Ось симметрии и любая перпендикулярная ей образуют систему главных осей. Если сечение имеет несколько осей симметрии (например, круг, квадрат, равносторонний треугольник), то все центральные оси являются главными и все центральные моменты равны.

27. Вычисление моментов инерции сложных сечений

Для нахождения момента инерции сложного сечения площадью A сечение разбивают на простые A 1 , A 2 , … A n , для которых моменты инерции находятся по готовым формулам или таблицам.

Момент инерции сложной фигуры находится как сумма моментов инерции, составляющих простых фигур.

I x = I x 1 + I x 2 +… + I xn

Момент инерции представляет собой интеграл по площади поверхности сечения,

для интеграла справедливо:

Следовательно, можно записать, что:

Другими словами, момент инерции составного сечения относительно некоторой оси складывается из моментов инерции составляющих этого сечения относительно той же самой оси.

При решении задач такого рода придерживаются следующего алгоритма. Находят центр тяжести плоского сечения и определяют главные центральные оси. Из таблиц или с помощью готовых формул вычисляют значения моментов инерции составляющих частей относительно собственных центральных осей, параллельных главным центральным осям сечения. При помощи формул параллельного переноса вычисляют значения моментов инерции составляющих частей сечения относительно главных осей сечения. Путем суммирования определяют значения главных центральных моментов инерции.

Это правило справедливо также для центробежного момента инерции.

28. Понятие о крутящем моменте

Кручение – это один из видов деформации бруса, при котором в поперечном сечении бруса возникает один внутренний силовой фактор, называемый крутящим моментом Мк. Такой вид деформации возникает, когда на брус действует пара сил, называемых скручивающими моментами М , приложенных перпендикулярно его продольной оси.

Нагруженный вращающими моментами брус называется валом. Сумма вращающих моментов, действующих на вал, равна нулю, если вал вращается равномерно. Вращающий момент можно определить по формуле, с условием, что известны передаваемая мощность P и угловая скорость w .

При известной частоте вращения вала угловая скорость может быть записана в виде

Следовательно, выражение для вращающего момента можно записать в виде:

В практических расчетах реальный объект заменяется расчетной схемой. Для упрощения задачи предполагается, что вращательные моменты сосредоточены в среднем сечении деталей, а не распределены по их поверхности. В сечении произвольного вала крутящий момент можно определить, используя метод сечений, когда вал мысленно рассекается плоскостью. Одну из частей отбрасывают и заменяют ее влияние крутящим моментом Мк, затем определяют его из уравнений равновесия. Числовое значение крутящего момента складывается из сумм вращающих моментов, находящихся по одну сторону сечения.

В поперечных сечениях бруса при кручении возникают только касательные напряжения, нормальные силы параллельны продольной оси бруса и их моменты равны нулю. Следовательно, можно сформулировать определение для крутящего момента таким образом: крутящий момент – это результирующий момент внутренних касательных сил, возникающих в поперечном сечении бруса относительно его продольной оси.

При расчетах на прочность в случае кручения бруса необходимо найти опасное сечение бруса. Если размеры поперечного сечения вдоль оси бруса неизменны, то опасными считаются сечения с максимальным крутящим моментом. Для нахождения опасных сечений строятся эпюры крутящих моментов (графики изменения крутящих моментов по длине бруса). При построении эпюров принято считать, что крутящий момент положителен, если его направление совпадает с направлением часовой стрелки, если смотреть на проведенное сечение. Это предположение условно, так как знак крутящего момента не имеет физического смысла.

29. Определение напряжений при кручении круглого вала

При изучении кручения валов имеют место следующие предположения:

– гипотеза плоских сечений: плоские поперечные сечения бруса после деформации также остаются плоскими и направленными по нормали к его оси, поворачиваясь на некоторый угол относительно этой оси;

– радиусы поперечных сечений не искривляются, и их длина остается постоянной;

– вдоль оси бруса расстояния между поперечными сечениями остаются постоянными.

Исходя из перечисленных предположений кручение круглого вала можно рассматривать как чистый сдвиг. Полученные на основе этих предположений формулы подтверждаются экспериментально.

Рассмотрим кручение участка бруса круглого сечения с радиусом r длиной dz . Один из концов будем считать неподвижно закрепленным.

При повороте на угол a в поперечном сечении угол сдвига, лежащий на поверхности такого вала, определяется по формуле:

Отношение полного угла закручивания на участке вала к его длине называется относительным углом закручивания.

Мысленно выделим в рассматриваемом участке вала цилиндр с радиусом ρ, угол сдвига для поверхности этого цилиндра определяется аналогично:

Согласно закону Гука в случае сдвига касательные напряжения равны:

Таким образом, при кручении касательные напряжения прямо пропорциональны расстоянию от центра тяжести сечения, причем у центра тяжести касательные напряжения равны нулю. Приближаясь к поверхности вала, они принимают свои максимальные значения.

30. Вычисление моментов, передаваемых на вал

Рассмотрим кручение участка круглого вала диметром r и длиной dz . Выделим в нем цилиндр диаметра ρ. Так как кручение представляет собой чистый сдвиг, нормальные напряжения равны нулю, а касательные напряжения при повороте на угол α распределяются следующим образом:

Крутящий момент определяется как:

А – площадь сечения. Подставив в это выражение касательное напряжение и учитывая, что интеграл от радиуса по площади сечения представляет собой полярный момент инерции сечения , получим:

Подставив это выражение в формулу для касательных напряжений, получим:

Таким образом, касательные напряжения определяются как произведение крутящего момента и радиуса, отнесенное к полярному моменту сечения. Ясно, что для точек, удаленных от оси на одинаковые расстояния, касательные напряжения равны, максимальные значения напряжения имеют точки, расположенных на поверхности вала.

Здесь – полярный момент сопротивления при кручении.

Для круглого сечения

Условие прочности при кручении выглядит следующим образом:

[τ] – максимально допускаемое касательное напряжение.

Эта формула позволяет также определять допускаемый крутящий момент или подбирать допустимый диаметр вала.

31, Деформация при кручении. Потенциальная энергия

В процессе кручения вращающие моменты поворачиваются вместе с сечением на какой-то угол и при этом совершают работу, которая так же, как и при других видах деформации, расходуется на создание в теле, подвергающемся деформации, определенного запаса потенциальной энергии и определяется по формуле:

Это соотношение следует из линейной зависимости крутящего момента М к от угла поворота φ.

При воздействии нагрузки крутящий момент постепенно нарастает, при этом в соответствии с законом Гука пропорционально увеличивается угол поворота. Работа, совершаемая крутящим моментом, равна потенциальной энергии деформации согласно закону сохранения энергии, следовательно,

Если в полученное соотношение подставить известную формулу для угла закручивания, то выражение примет вид:

При ступенчатом изменении крутящего момента или поперечного сечения бруса потенциальная энергия представляет собой сумму:

Если же крутящий или полярный моменты (или оба одновременно) непрерывно изменяются по длине участков бруса, то потенциальная энергия представляет интеграл по длине

32. Расчет винтовых цилиндрических пружин

В машиностроении и приборостроении широко используются винтовые пружины, которые могут иметь цилиндрическую, конусовидную или фасонную. Чаще всего применяются пружины цилиндрической формы, изготовленные из проволоки круглого поперечного сечения: пружины растяжения (изготавливаются без просветов между витками) и пружины сжатия (с просветом). Для упрощения расчета пружин на жесткость и прочность будем считать, что угол наклона витков настолько мал, что им можно пренебречь и считать сечение вдоль оси пружины поперечным для витка. Из условий равновесия для отсеченной части пружины ясно, что в сечении возникают два внутренних силовых фактора: поперечная сила Q y = F и крутящий момент М к = FD / 2 , т. е. в сечении витка возникают только касательные напряжения. Будем считать, что касательные напряжения, связанные с поперечной силой, распределены по сечению равномерно, а касательные силы, связанные с наличием крутящего момента, распределены по линейному закону и достигают своих максимальных значений в крайних точках сечения. Наиболее напряженной окажется точка, расположенная ближе всего к оси пружины, напряжение для нее равно:

Отношение диаметра пружины к диаметру проволоки называют индексом пружины,

c n = D / d

Полученная формула приближенна из-за пренебрежения влиянием поперечной силы и из-за того, что не учтена кривизна витков. Введем поправочный коэффициент К , зависящий от индекса пружины и угла наклона витков. Тогда условие прочности примет вид:

При воздействии нагрузки пружина изменяет свою длину. Это изменение называется осадкой пружины λ. Определим, чему равна осадка, если витки испытывают только кручение. Согласно формуле Клапейрона работа внешних статических сил равна:

Потенциальная энергия деформации

В данном случае

где l – длина рассматриваемого участка пружины;

n – число витков.

Выполнив подстановку и математические преобразования, получим, что:

33. Перемещения и напряжения в винтовых пружинах

Винтовые пружины широко используются в машиностроении как амортизирующие устройства или устройства обратной подачи. Расчет винтовых пружин хорошо демонстрирует метод определения перемещений. Винтовые пружины подразделяются на пружины растяжения, сжатия и кручения. Пружины растяжения и сжатия нагружаются силами, действующими вдоль оси пружины, пружины кручения нагружаются моментами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси пружины.

Витую пружину можно рассматривать как пространственно изогнутый стержень с осью, имеющей винтовую форму. Форма пружины характеризуется следующими параметрами: диаметром пружины D , числом витков n , углом подъема θ и шагом пружины s , определяемым формулой:

s = πDtg θ

Обычно шаг пружины значительно меньше, чем πD , угол θ достаточно мал (меньше 5°).

Рассмотрим пружину растяжения-сжатия. Под воздействием внешней нагрузки Р в каждом поперечном сечении возникает результирующая внутренняя сила Р и момент М = РD / 2, лежащий в плоскости действия сил Р . На Рис. 13 изображены силы, действующие в поперечном сечении пружины.

Проекции полной силы и момента относительно системы координат, связанной с сечением, описываются следующими соотношениями:

M к = (PD / 2) × cosθ,

M изг = (PD / 2) × sinθ,

Q = P × cosθ,

N = P × sinθ.

Предположим, что сила Р равна 1, тогда соотношения для сил и моментов примут вид:

M к1 = (D / 2) × cosθ,

M изг1 = (D / 2) × sinθ,

Q 1 = cosθ,

N 1 = sinθ.

Найдем осевое перемещение в пружине, пользуясь интегралом Мора. С учетом малости перемещений, вызванных нормальной и поперечными силами, а также осевого перемещения, в данном случае интеграл Мора запишется следующим образом:

где произведение в знаменателе представляет собой жесткость пружины на кручение;

l – длина рабочей части пружины;

l ≈ πDn

Вследствие малости угла наклона витков θ полагаем, что cos θ = 1, тогда

Напряжения в винтовых пружинах, работающих на сжатие-растяжение или кручение, определяются следующим образом.

Способ вычисления моментов инерции сложных сечений основан на том, что любой интеграл можно рассматривать как сумму интегралов и, следовательно, момент инерции любого сечения вычислять как сумму моментов инерции отдельных его частей.

Поэтому для вычисления моментов инерции сложное сечение разбивается на ряд простых частей (фигур) с таким расчетом, чтобы их геометрические характеристики можно было вычислить по известным формулам или найти по специальным справочным таблицам.

В ряде случаев при разбивке на простые фигуры для уменьшения числа или упрощения их формы сложное сечение целесообразно дополнять некоторыми площадями. Так, например, при определении геометрических характеристик сечения, показанного на рис. 22.5, а, его целесообразно дополнить до прямоугольника , а затем из геометрических характеристик этого прямоугольника вычесть характеристики добавленной части . Аналогично поступают и при наличии отверстий (рис. 22.5, б).

После разбивки сложного сечения на простые части для каждой из них выбирается прямоугольная система координат, относительно которой надо определить моменты инерции соответствующей части. Все такие системы координат принимаются параллельными друг другу для того, чтобы затем путем параллельного переноса осей можно было подсчитать моменты инерции всех частей относительно системы координат, общей для всего сложного сечения.

Как правило, система координат для каждой простой фигуры принимается центральная, т. е. ее начало совпадает с центром тяжести этой фигуры. В этом случае последующий подсчет моментов инерции при переходе к другим параллельным осям упрощается, так как формулы перехода от центральных осей имеют более простой вид, чем от нецентральных.

Следующим этапом является вычисление площадей каждой простой фигуры, а также ее осевых и центробежного моментов инерции относительно осей выбранной для нее системы координат. Статические моменты относительно этих осей, как правило, равны нулю, так как для каждой из частей сечения эти оси обычно являются центральными. В случаях, когда это нецентральные оси, необходимо вычислять статические моменты.

Полярный момент инерции вычисляется только для круглого (сплошного или кольцевого) сечения по готовым формулам; для сечений других форм эта геометрическая характеристика не имеет какого-либо значения, так как при расчетах она не используется.

Осевые и центробежный моменты инерции каждой простой фигуры относительно осей ее системы координат подсчитываются по имеющимся для такой фигуры формулам или таблицам. Для некоторых фигур имеющиеся формулы и таблицы не позволяют определить необходимые осевые и центробежный моменты инерции; в этих случаях приходится пользоваться формулами перехода к новым осям (обычно для случая поворота осей).

В таблицах сортамента величины центробежных моментов инерции для уголков не указаны. Методика определения таких моментов инерции рассмотрена в примере 4.5.

В подавляющем большинстве случаев конечной целью вычисления геометрических характеристик сечения является определение его главных центральных моментов инерции и положения главных центральных осей инерции. Поэтому следующим этапом вычисления является определение координат центра тяжести заданного сечения [по формулам (6.5) и (7.5)] в некоторой произвольной (случайной) системе координат Через этот центр тяжести сечения проводятся вспомогательные (не главные) центральные оси параллельные осям системы координат простых фигур.

Затем с помощью формул, устанавливающих зависимости между моментами инерции для параллельных осей (см. § 5.5), определяются моменты инерции каждой простой фигуры относительно вспомогательных, центральных осей Путем суммирования моментов инерции каждой простой фигуры относительно осей определяются моменты инерции всего сложного сечения относительно этих осей; при этом моменты инерции отверстий или добавленных площадок вычитаются.

Моментами инерции сечений называются интегралы следующего вида:

у ;

– осевой момент инерции сечения относительно оси z ;

– центробежный момент инерции сечения;

– полярный момент инерции сечения.

3.2.1. Свойства моментов инерции сечения

Размерность моментов инерции – [длина 4 ], обычно [м 4 ] или [см 4 ].

Осевые и полярный моменты инерции всегда положительные. Центробежный момент инерции может быть положительным, отрицательным или равным нулю.

Оси, относительно которых центробежный момент инерции равен нулю, называются главными осями инерции сечения.

Оси симметрии всегда главные. Если из двух взаимно перпендикулярных осей хотя бы одна является осью симметрии, то обе оси главные.

Момент инерции составного сечения равен сумме моментов инерции элементов этого сечения.

Полярный момент инерции равен сумме осевых моментов инерции.

Докажем последнее свойство. В сечении с площадью А для элементарной площадки dA радиус-вектор ρ и координаты у и z (рис. 6) связаны по теореме Пифагора: ρ 2 = у 2 + z 2 . Тогда

Рис. 6. Связь полярных и декартовых координат

элементарной площадки

3.2.2. Моменты инерции простейших фигур

В прямоугольном сечении (рис. 7) выберем элементарную площадку dA с координатами y и z и площадью dA = dydz .

Рис. 7. Прямоугольное сечение

Осевой момент инерции относительно оси у

Аналогично получаем момент инерции относительно оси z :

Поскольку у и z – оси симметрии, то центробежный момент D zy = 0.

Для круга диаметром d вычисления упрощаются, если учесть круговую симметрию и использовать полярные координаты. Возьмем в качестве элементарной площадки бесконечно тонкое кольцо с радиусом ρ и толщиной d ρ (рис. 8). Его площадь dA = 2πρd ρ. Тогда полярный момент инерции:

Рис. 8. Круглое сечение

Как показано выше, осевые моменты инерции относительно любой центральной оси одинаковы и равны

Момент инерции кольца находим как разность моментов инерции двух кругов – наружного (с диаметром D ) и внутреннего (с диаметром d ):

Момент инерции I z треугольника определим относительно оси, проходящей через центр тяжести (рис. 9). Очевидно, ширина элементарной полоски, находящейся на расстоянииу от осиz , равна

Следовательно,

Рис. 9. Треугольное сечение

3.3. Зависимости между моментами инерции относительно параллельных осей

При известных величинах моментов инерции относительно осей z и у определим моменты инерции относительно других осей z 1 и y 1 , параллельных заданным. Пользуясь общей формулой для осевых моментов инерции, находим

Если оси z и y центральные, то
, и

Из полученных формул видно, что моменты инерции относительно центральных осей (когда
) имеют наименьшие значения по сравнению с моментами инерции относительно любых других параллельных осей.

3.4. Главные оси и главные моменты инерции

При повороте осей на угол α центробежный момент инерции становится равным

Определим положение главных главных осей инерции u , v относительно которых

где α 0 – угол, на который надо развернуть оси y и z , чтобы они стали главными.

Поскольку формула дает два значения углаи
, то существуют две взаимно перпендикулярные главные оси. Ось максимума всегда составляет меньший угол () с той из осей (z или y ), относительно которой осевой момент инерции имеет большее значение. Напомним, что положительные углы откладываются от оси z против хода часовой стрелки.

Моменты инерции относительно главных осей называются главными моментами инерции. Можно показать, что они

Знак плюс перед вторым слагаемым относится к максимальному моменту инерции, знак минус – к минимальному.

При определении моментов инерции составного сечения последнее разбивают на простые фигуры, у которых известны положения центров тяжести и моменты инерции относительно собственных центральных осей. По формулам (2.5) находят координаты центра тяжести всего сечения в системе произвольно выбранных вспомогательных осей. Параллельно этим осям проводят центральные оси, относительно которых определяют осевые и центробежный моменты инерции по формулам (2.6). Моменты инерции относительно главных центральных осей определяются по формуле (2.12), а положение главных центральных осей - по формулам (2.11).

Пример 2.1. Определим моменты инерции относительно главных центральных осей поперечного сечения двутавровой балки 130, усиленной двумя стальными листами сечением 200 х 20 мм (рис. 2.12).

Оси симметрии Ох, Оу являются главными центральными осями всего сечения. Выпишем из сортамента (см. приложение) значения площади и моментов инерции сечения двутавра относительно осей Ох, Оу:

Моменты инерции сечений листов относительно собственных центральных осей определим по формулам (2.14):

Площадь всего сечения равна F = 46,5 + 2 20 2 = 126,5 см 2 .

Моменты инерции сечения относительно главных центральных осей Ох, Оу определяются по формулам (2.6):

Пример 2.2. Определим моменты инерции относительно главных центральных осей поперечного сечения стойки стропильной фермы из двух равнобоких уголков 1_70х70х8, составленных крестообразно (рис. 2.13). Совместная работа уголков обеспечивается соединительными планками.

Координаты центра тяжести сечения уголка, значения площади и моментов инерции относительно собственных центральных осей Ох^ и Оу 0 приведены в сортаменте (см. приложение):

Расстояние от центра тяжести О всего сечения до центра тяжести уголка равно а = (2,02 + 0,4)л/2 = 3,42 см.

Площадь всего сечения равна F = 2 10,7 = 21,4 см 2 .

Моменты инерции относительно главных центральных осей, которыми являются оси симметрии Ох, Оу, определяются по формулам (2.6):

Пример 2.3. Определим положение центра тяжести и моменты инерции относительно главных центральных осей поперечного сечения балки, составленной из двух швеллеров х ] и О х у { . Тогда по формулам (2.5) получим: