Методы приложения динамических нагрузок реферат

Обновлено: 02.07.2024

Динамическая нагрузка

Описание: Импульс силы удара равен изменению количества движения и может быть найден достаточно точно а вот силу удара и его продолжительность до сих пор определить не удается. Это объясняется тем что за исключительно короткий промежуток времени в который совершается удар трудно произвести измерения связанные с определением силы удара. Поэтому производят условный расчет на удар по которому определяют внутренние силы и перемещения возникающие после удара. При определенных предположениях можно найти силу статически прикладываемую в точке.

Дата добавления: 2015-01-14

Размер файла: 752.72 KB

Работу скачали: 52 чел.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Нагрузка, прикладываемая с большой скоростью и вызывающая ускорения частиц тела или соприкасающихся с телом элементов, называется динамической. Например:

силы инерции в деталях машин, движущихся возвратно- поступательно с переменной скоростью;
нагрузки чрезвычайно малой продолжительностью;
периодически меняющиеся во времени со значительными скоростями напряжения, возникающие во вращающихся осях машин, находящихся под действием постоянной поперечной нагрузки.

Динамические нагружения, по сравнению со статическими существенно изменяют процесс деформирования и поведение материала. Поэтому изучение действия динамических нагрузок ведут в направлении: а) нахождения величины динамических деформаций и напряжений; б) исследования влияния этих напряжений на механические свойства материалов.

Общий метод расчета на динамические воздействия основан на принципе Даламбера:

Всякое движущиеся тело может рассматриваться как находящиеся в состоянии мгновенного равновесия, если к действующим на него внешним силам добавить силу инерции, равную произведению массы тела на ускорение центра тяжести, которая направлена противоположно ускорению .

Тогда, если известны силы инерции, то можно применить метод сечений и для определения внутренних усилий использовать уравнения равновесия. В тех случаях, когда определение сил инерции затруднено (например, при ударе), для нахождения динамических напряжений и деформаций используется закон сохранения энергии.

Равноускоренное движение тела. Динамический коэффициент.

Рассмотрим равноускоренный подъем груза , подвешенный на тросе. К телу кроме его веса по принципу Даламбера должно быть приложена сила инерции , направленная в сторону, противоположную ускорению (ускорение равнопеременного движения). Применяя метод сечений, из условия равновесия определим значения усилия возникающего в тросе при подъёме

Выражение в скобках характеризует отличие усилия в торосе при равноускоренном подъёме груза от усилия, возникающего при его статическом приложении. Следовательно

. Здесь - усилие в тросе при статическом нагружении.

Усилие от динамической нагрузки равно усилию от статической нагрузки, умноженному на динамический коэффициент. Для определения численного значения усилия в тросе необходимо найти ускорение . Воспользуемся уравнением равнопеременного движения при нулевой начальной скорости

, где - расстояние, пройденное за время .

Влияние центробежных сил

При вращении тела с постоянной угловой скоростью , угловое ускорение равно нулю. Поэтому тангенциальное ускорение , а радиальное (центростремительное) направленное к центру вращения ускорение , где - радиус вектор точки. Следовательно, к любому элементарному объему вращающегося тела с массой приложена сила инерции (центробежная сила), направленная в сторону, противоположную , и равная . В результате чего в теле возникают напряжения. В случае вращения тонкого кольца вокруг оси О с радиус R срединной линии которого значительно больше высоты сечения, что делает возможным пренебречь сопротивлением кольца изгибу.

На элемент кольца длиной действует центробежная сила .

Здесь - площадь поперечного сечения кольца; - толщина кольца ; - объемный вес материала; -ускорение свободного падения.

В кольце возникают растягивающие усилия N . Разрежем кольцо по диаметру и спроектируем все силы на ось :

Полагая напряжения распределенными равномерно по сечению, будем иметь

Т.о., напряжения в кольце зависят от объемного веса материала и линейной скорости . Полученное приближенное решение в качестве первого приближения может быть использовано при расчете обода маховика и других аналогичных элементов, где допустимо пренебречь влиянием спиц.

Определение перемещений и напряжений при ударе

Удар взаимодействие движущихся тел в результате их соприкосновения, связанное с резким изменением скоростей точек этих тел за весьма малый промежуток времени.

Импульс силы удара равен изменению количества движения и может быть найден достаточно точно, а вот силу удара и его продолжительность до сих пор определить не удается. Это объясняется тем, что за исключительно короткий промежуток времени, в который совершается удар, трудно произвести измерения, связанные с определением силы удара. Поэтому производят условный расчет на удар, по которому определяют внутренние силы и перемещения, возникающие после удара.

При определенных предположениях можно найти силу, статически прикладываемую в точке удара, чтобы вызвать наибольшое динамическое перемещение системы. Такую силу обычно называют динамической .

При забивки свай тяжелый груз падает с некоторой высоты на верхний торец сваи и погружает её в грунт; груз останавливается мгновенно, вызывая удар. За время удара между обеими ударяющими деталями возникают большие взаимные давления. Скорость ударяющегося тела за очень короткий промежуток времени изменяется и в данном случае падает до нуля. На него от ударяемого тела передается реакция , направленная в сторону, обратную его давлению.

По закону равенства действия и противодействия на ударяемую часть конструкции передается такая же сила, но обратно направленная. Эти силы вызывают напряжения в обеих телах.

Пусть, груз с весом без начальной скорости, падает на неподвижный стержень с высоты (рис.а)). Если пренебречь сопротивлением движению, то скорость тела в момент удара . Эта скорость за время удара упадет до нуля. Получающиеся большие ускорения (замедления) приводят к возникновению значительных инерционных сил, которые и определяют действие удара. Т.к. неизвестно, то установить закон изменения скорости и силу инерции теоретически весьма затруднительно. Поэтому для определения перемещений и напряжений, вызванных действием ударных нагрузок, пользуются энергетическим методом, основанным на законе сохранения энергии и следующих допущениях:

Напряжения в ударном элементе не превосходят предела пропорциональности, и закон Гука сохраняет свою силу;
Тела после удара не отделяются друг от друга;
Ударяющее тело является абсолютно жестким и не деформируется;
Потерей части энергии, переходящей в теплоту и в энергию колебательного движения соударяющихся тел пренебрегаем;
Масса ударяемого элемента мала по сравнению с массой ударяющего тела и в расчет не принимается.

Кинетическая энергия падающего груза, численно равна работе, совершаемой им при падении и деформации стержня: , где - перемещение в точке удара, равное укорочению стержня. Потенциальная энергия деформации стержня при сжатии . Здесь в соответствии с законом Гука , откуда . Пользуясь законом сохранения энергии и пренебрегая потерями энергии, вызванными местными пластическими деформациями при соударении тел можно записать или . Откуда . Разделив все члены полученного уравнения на и учитывая, что -укорочение стержня от статически приложенной нагрузки будем иметь квадратное уравнение , решив которое найдем . Оставляя знак плюс (решение со знаком минус перед радикалом противоречит физическому смыслу задачи), получим окончательно

где - динамический коэффициент.

Разделив обе части (2) на длину стержня и умножив на модуль упругости Е, перейдем на основании закона Гука от деформаций к напряжениям

Видим, что динамические напряжения и перемещения зависят от статической деформации ударяемого тела. Чем больше (при прочих равных условиях), тем меньше и . Поэтому для смягчения удара применяют прокладки (резиновые, пружинные) дающие больше деформации. При ударе условие прочности имеет вид , но кроме этого при сжатии стержня во избежание продольного изгиба , где -критическое напряжение.

- жесткость пружины (сила, вызывающие смещение на единицу длины).

После удара, вследствие полученной начальной скорости пружина сожмется на величину

После соприкосновения тела как бы слипаются и продолжают совместное движение со скоростью , сжимая пружину.

По теореме об изменения количества движения получим

Пружина продолжает сжиматься, а скорости тел уменьшается. Сила сжатия пружины достигает при . Воспользуемся теоремой об изменений кинетической энергий

- кинетическая энергия в момент наибольшего сжатия пружины ;

- энергия после удара в начальный момент движения;

- работа всех сил на пути .

Сила тяжести на пути совершает работу .

Со стороны пружины на тела действует переменная сила.

(7) и (8) подставим в (6)

Если тело падает на невесомую, т.е., то .

Аналогичное решение можно получать и для горизонтального удара

, с другой стороны , тогда

Аналогичные формулы можно получить и для случая поперечного (изгибающего) удара. Только в этом случае вместо следует принимать статический изгиб балки - в месте удара, а вместо динамический прогиб .

Частный случай: Если h =0, т.е. имеет место внезапное приложение нагрузки, то из (2) и (3) получим деформации и напряжения, вдвое больше, чем при статическом действии: , .

Когда масса ударяемой конструкции не мала по сравнению с массой ударяющего тела, то им пренебречь нельзя. В этом случае динамический коэффициент определяется по формуле

где -статическая деформация (,) в точке падения груза;

-полный вес ударяемого тела; -коэффициент приведения равный, при растягивающем (сжимающем) ударе и при изгибающем ударе в середине пролета простой балки.

Учет массы ударяемого элемента приводит к уменьшению величины динамического коэффициента, т.е. к снижению эффекта удара ( по (4) меньше ).

Для определения кинетической энергии системы, предположим, что скорость элемента балки, отстоящего от левой опоры на расстоянии пропорциональна перемещению этого сечения от статической нагрузки, приложенной в виде силы Р в точке удара. Это условие пропорциональности можно выразить . Здесь - соответственно скорость и прогиб в середине пролета.

Приняв, что точка удара расположена в середине балки, будем иметь следующее уравнение прогибов:

Кинетическая энергия системы будет определяться равенством

Найдем теперь кинетическую энергию для балки, у которой посредине пролета прикреплена приведенная масса. Считая, что скорость движения этой массы будет равна величине , получим

Две системы можно считать эквивалентными друг другу, если у них количество будут одинаковыми. Если приравнять два полученных выше выражения для энергий, то легко заметить, что коэффициент будет определяться равенством

Подставим найденное значение в формулу динамического коэффициента. Тогда для балки на двух опорах при ударе падающим грузом в точку, расположенную посередине пролета, получим

Классификация силовых нагрузок. Методы приложения и способы создания статических сосредоточенных и распределенных нагрузок. Методы приложения и способы создания динамических нагрузок.

1. По характеру изменения во времени выделяют:

Статические нагрузки Статические нагрузки почти не изменяются в течение всего времени работы конструкции (например, давление ферм на опоры).

Динамические нагрузки действуют непродолжительное время. Их возникновение связано в большинстве случаев с наличием значительных ускорений и сил инерции

2. По характеру приложения:

Сосредоточенные нагрузки передают свое действие через, очень малые площади.

Распределенные нагрузки действуют на сравнительно большой площади.

3. По продолжительности действия принято различать постоянные и переменные нагрузки.

Методы приложения статических нагрузок

Для создания нагрузок при испытаниях используют штучные грузы; сыпучие материалы; емкости, наполненные водой; пневматические подушки; гидравлические и винтовые домкраты. В качестве штучных грузов используются гири, металлические отливки и поковки, бетонные и железобетонные блоки, которые перед испытаниями взвешиваются и маркируются. Для передачи усилий используются также тали, полиспасты, лебедки при включении их в цепь динамометров. Основным требованием, предъявляемым к внешним воздействиям, является их стабильность во времени и возможность надежного контроля их значений.

Методы приложения динамических нагрузок: механические, гидравлические, пневматические и электрические (электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные пьезоэлектрические).

Для создания механическими способами циклических нагрузок на конструкции, расположенные на вибростендах, столах, платформах, применяются центробежные и кривошипные механизмы.

Гидравлические способы основаны на использовании механизмов преобразования получаемой извне энергии в энергию сжатой жидкости

Пневматический способ заключается в применении энергии сжатого газа, получаемой при взрыве или путем предварительного сжатия объемов газа.

Средства измерения, применяемые при статических испытаниях конструкций нагружением, основные метрологические характеристики средств измерений. Испытательное оборудование и оснастка для испытаний строительных конструкций.

• Прогибомер Аистова-Овчинникова (6 ПАО) применяются для измерения перемещений, прогибов

• Индикатор (контактный) часового типа. Позволяет измерить маленькие перемещения отдельных горизонтальных и вертикальных точек, устанавливаются на неподвижной опоре с упором подвижного измерительного стержня в испытываемую конструкцию или закрепляются на испытываемой конструкции с упором подвижного стержня в какую-либо неподвижную точку. Для крепления применяют зажимы или струбцины

• Тензометр Гугенбергера применяется при определении линейных деформаций поверхностных волокон конструкции при статическом нагружении (бывают электромеханические тензометры)

• Тензорезиcтopы проводниковые (проволочные и фольговые) применяют для измерения деформаций волокон испытываемых конструкций. Состоит из чувствительного элемента(решетки), подложки(основы), выводные проводы.

• Клинометр применяется для измерения углов поворота расчетных сечений элементов или узлов конструкций.

• Прессы и испытательные машины. Прессы – машины статического действия, которые создают равномерное, возрастающее с требуемой скоростью усилие, достигающее больших значений (до 100 МН). С помощью прессов определяют прочность материалов. Основная характеристика пресса – создаваемое им максимальное усилие. По виду привода прессы бывают гидравлические, механические (винтовые, фрикционные) и гидромеханические. При испытании строительных материалов чаще всего применяют гидравлические и винтовые прессы

• Установка испытательная BOHME для испытания бетонов и природных каменных материалов на истираемость согласно европейским и отечественным стандартам

• Платформа для измерения скользкости плит покрытия пола с калибровочными панелями

• Установка для определения водонепроницаемости бетона и других материалов

• Прибор для определения теплопроводности материалов

• Установка для определения общего коэффициента пропускания света светопрозрачных ограждающих конструкций

Общие понятия: принцип Д'Аламбера. Расчет на удар без учета массы ударяемого бруса. Учет массы ударяемого тела (бруса). Факторы, влияющие на величину предела выносливости: концентрация напряжений, качество поверхности детали, абсолютные размеры детали.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	лекция
Язык	русский
Дата добавления	23.09.2017
Размер файла	82,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Раздел 9. Динамическое действие нагрузок

Общие понятия. Принцип Д Аламбера

При действии динамической нагрузки можно выделить три основные задачи:

I. Учет сил инерции. Здесь ускорения частиц конструкции можно вычислить по правилам кинематики твердого тела и, следовательно, инерционные силы.

II. Удар тел. Здесь ускорения, а значит и силы инерции, зависят от деформации соударяемых тел, которые можно определить методами сопротивления материалов.

III. Колебания тел. Они возникают обычно при действии на конструкцию знакопеременной нагрузки.

Рассмотрим подробнее эти задачи.

I. Учет сил инерции

Величина элементарной силы инерции , действующей на частицу тела равна

Здесь: масса, вес, объем частицы; объемный вес материала частицы; м/сек 2 ускорение свободного падения; ускорение при движении частицы.

Сила инерции направлена в сторону, противоположную направлению ускорения. ударяемый брус выносливость напряжение

При расчете стержневых конструкций объемные силы инерции удобно представить распределенной погонной инерционной нагрузкой .

Стержень длиной и площадью поперечного сечения А имеет объем . Подставим это в (9.1)

Погонная нагрузка - это нагрузка на единицу длины

Пример 1. Подъем груза на длинном тросе с постоянным ускорением а.

Дано: вес груза, длина, площадь сечения троса и его объемный вес.

В сечении троса на расстояние от груза возникает динамическая сила, которая должна уравновешивать: инерционную силу от груза, вес троса и погонную инерционную нагрузку от троса. С учетом (9.1) и (9.2) получим

Здесь: динамический коэффициент, статическое усилие в сечении троса.

Обозначим: динамическое напряжение, статическое напряжение в тросе.

Поделив (1) на получим

Условие прочности троса , где допускаемое напряжение.

Пример 2. Вращение стержня в горизонтальной плоскости.

Дано: длина, пло-щадь сечения, объемный вес материала стержня; угловая скорость вращения.

На расстояние от оси вращения выделим произвольное сечение. При равномерном вращении стержня центростремительное ускорение , действующие на частицы стержня в этом сечении, определяется по правилам кинематики , а погонная инерционная центробежная нагрузка направлена от оси вращения и по (9.2) равна

Инерционные силы вызывают растяжение стержня силой в сечении стержня. Т.к линейно меняется по длине стержня ( в первой степени в (2)), то найдем суммированием (интегрированием) на участке от до

Из (3) видно, при (в середине стержня)

Далее можно найти максимальное напряжение в стержне и записать условие его прочности.

Из (5) можно найти max допускаемую скорость вращения стержня.

II. Расчеты на удар тел

Продолжительность удара очень мала и сложно вычислить ускорения частиц ударяемой конструкции. Поэтому, воспользоваться принципом ДАламбера затруднительно и обычно здесь используют закон сохранения энергии.

Для удобства расчета на удар вводят условное понятие динамическая сила . Эта такая сила, которая, будучи статически приложенной в точке удара, вызовет такие же перемещения (деформации) ударяемого тела, как и при ударе.

Расчет на удар без учета массы ударяемого бруса

Рассмотрим закрепленный упругий брус, на который с высоты падает груз весом . При этом брус может испытывать: а) продольные деформации (колонны, сваи) рис. 9.1а, б) изгибные деформации (балки) рис. 9.1б.

После удара, когда груз останавливается в нижнем положении, деформации каждого сечения бруса достигают наибольших значений. Их обозначим: деформации в точке удара, в любом сечении бруса с координатой (на рис. 9.1б в эти деформации (прогибы) показаны сплошной линией). Затем происходят затухающие колебания бруса, в конце которых устанавливаются деформации (в точке удара) и в любом сечении, соответствующие статическому действию груза (на рис. 9.1б эти деформации показаны пунктирной линией).

Расчет проведем при следующих допущениях:

1. Брус идеально упругий, справедлив закон Гука, модуль одинаков при динамическом и статическом нагружении;

2. Массу ударяемого бруса пока не учитываем;

3. Эпюра перемещений сечений бруса от удара подобна эпюре перемещений от статического действия груза . (На рис. 9.1б графики прогибов, обозначенные сплошной и пунктирной линиями, подобны). Обозначим

динамический коэффициент (9.3)

Из третьего допущения и рис. 9.1б следует с учетом (9.3)

Согласно принятого выше определения динамической силы , от ее статического приложения возникнут деформации и , а от статического нагружения силой появятся и . По закону Гука деформации пропорциональны нагрузкам, поэтому

По закону Гука и напряжения пропорциональны нагрузкам

Здесь динамические напряжения, т.е. возникают в брусе при ударе; статические напряжения, возникают при статическом нагружении силой .

Из (9.4) и (9.5) следует

Итак, деформации и напряжения в любом сечении бруса при ударе можно определить по (9.6), если вычислить динамический коэффициент. А деформации и напряжения при любом виде статической нагрузки (осевой, изгибной, кручении и т.д.) мы умеем определять из вышеприведенных разделов.

Для решения задачи используем закон сохранения энергии. Груз при падении проходит путь и совершает работу .

При статическом нагружении силой получим ту же деформацию, что и при ударе, потенциальная энергия деформации бруса при этом, как известно, определяется так . Сила прикладывается в т. К, куда падает груз . По закону сохранения энергии , т.е.

Из (6) , подставим в (7) получим

Сокращаем на и учитывая из (9.4), что найдем

Относительно неизвестной получили стандартное квадратное уравнение типа

Здесь . Решение квадратного уравнения известно из справочников:

В нашем случае получим

При ударе всегда , поэтому выбираем знак (+) и формулу (10) преобразуем так

Согласно (9.4) , тогда из (11) получим

Рис. 9.1а:По закону Гука при осевой нагрузке

Скорость груза, падающего с высоты , как известно, определяется так , откуда . Подставим это в (9.8) получим

Здесь: энергия падающего груза в момент начала удара;

потенциальная энергия деформации бруса от статического нагружения его силой в т. K.

С учетом (12) из (9.8) найдем

Пример. Порядок расчета балки на удар.

На балку с высоты в т. K падает груз . Найти максимальное напряжение в балке от удара, максимальные прогибы в пролете и консоли.

В т. K балки статически прикладываем силу , равную весу груза (рис.б). Определяем от нее опорные реакции и строим эпюру изгибающих моментов. Из Эп. находим и, зная размеры и форму поперечного сечения балки, вычисляем максимальные напряжения от статического нагружения. Для вычислений по (9.6) надо знать .

В консоли максимальный прогиб при ударе

В пролете находим максимальный прогиб от статического нагружения и далее максимальный прогиб при ударе

Дальше можно проверить балку на прочность и жесткость обычными методами.

Учет массы ударяемого тела (бруса)

Учет массы ударяемого тела достаточно сложен, поэтому приведем окончательные формулы без вывода их.

Динамический коэффициент в этом случае определяется по формулам, аналогичным (9.8)-(9.10)

вес ударяемого тела, для бруса

редукционный коэффициент, определяется так

Вычислив , определяем коэффициент и далее .

Пример 1. Вычислить для колонны, показанной на рис. 9.1а. По закону Гука для сечения от статического нагружения силой : , , где площадь поперечного сечения колонны, модуль упругости материала.

Пример 2. Вычислить для балки, показанной на рис. 9.1б, когда груз падает на середину балки.

Опорные реакции , дифференциальные уравнения изгиба балки от статического нагружения силой :

т.е. ввиду симметрии ограничимся одним участком.

Граничные условия: 1) ; 2) (ввиду симметрии), откуда найдем . Тогда , т.к. , то

Все полученные выше формулы приближенные. Чем большей жесткостью обладает ударяемый брус, тем менее точными будут результаты расчетов. Более точные результаты получаются при рассмотрении волновой теории удара.

III. Колебания тел

Колебания различных конструкций возникают обычно при действии на них знакопеременных нагрузок. Любая упругая конструкция имеет собственную частоту колебаний, определяемую ее жесткостью, массой, размерами, конструктивными особенностями и т.д. Определение собственных частот реальных конструкций - сложная задача. Для приближенных расчетов реальную конструкцию с нагрузкой (балку) заменяют системой грузов, установленных на невесомой балке (рис. 9.2б), т.е. масса балки сосредоточена в грузах. Число грузов определяет, сколько степеней свободы имеет система, заменяющая балку.

Рис.9.2Наиболее простое решение можно получить, когда балка заменяется системой с одним грузом (рис. 9.2а).

Период свободных колебаний, т.е. время, за которое система совершает одно свободное колебание:

Здесь: вес груза, прогиб балки под грузом от силы , м/сек 2 .

Более точно собственную частоту колебаний реальной балки можно установить экспериментально. На балку крепится вибратор, конструкция

вибратор

которого показана на рис: в корпусе установлены два вала с зубчатыми шестернями (пунктир) и двумя грузами (заштрихованы). Один вал с помощью гибкого шланга вращается электромото-ром постоянного тока (можно плавно изменять частоту вращения). Грузы при вращении создают знакопеременные инерционные центробежные силы в вертикальной плоскости, которые действуют на балку. Изменяя частоту вращения валов определяют частоту, при которой резко возрастает амплитуда колебаний балки с вибратором. Это и будет собственная частота колебаний балки, т.к. масса вибратора много меньше массы балки. Здесь учитываются все особенности реальной конструкции балки.

Внешние знакопеременные нагрузки могут передаваться на конструкции от различных механизмов, станков и т.д., установленных на них. Конструкции, на которых они установлены, должны иметь собственные частоты колебаний далекие от частот внешних воздействий. Резонанс в большинстве конструкций нельзя допускать, это может привести к их разрушению.

Многочисленные опыты показали, что при действии переменных напряжений, возникающих при колебаниях конструкций, разрушение происходит при напряжениях значительно меньших, чем опасные напряжения при однократном статическом нагружении. Причиной разрушения материала при колебаниях является постепенное развитие микротрещин, которые всегда есть в материале. Это явление называется усталостью материала. Способность материала воспринимать многократное действие переменных напряжений называют выносливостью, а проверку прочности элементов конструкций при действии таких напряжений - расчетом на выносливость (или расчетом на усталостную прочность).

Для расчетов на выносливость используют кривые усталости или кривые Вёлера, которые экспериментально получаются для каждого материала. На рис. показана примерная кривая Вёлера.

Кривая Вёлера

По вертикальной оси отклады-ваются максимальные напряжения, возникающие при колебании конструкции, а по горизонтальной оси число циклов нагружения до разрушения материала. Видно, что чем меньше , тем больше циклов выдержит материал. Для стали кривая стремится к асимптоте при , которую называют пределом выносливости. Это напряжение, при котором не происходит усталостного разрушения данного материала после произвольно большого числа циклов (обычно берут циклов).

С помощью кривых Вёлера определяют срок службы элементов конструкций при действии переменных напряжений, возникающих при колебаниях.

На величину предела выносливости влияют многие факторы:

Концентрация напряжений. Она возникает в точках тела вблизи мест приложения сосредоточенных сил, около выточек, у краев отверстий, в местах резкого изменения формы тела, у надрезов и т.д. Концентрация значительно снижает предел выносливости.

Качество поверхности детали. Снижение предела выносливости тем больше, чем грубее поверхностная обработка детали, причем это снижение более значительно для материалов с высокими пределами прочности.

Абсолютные размеры детали. С увеличением размеров предел выносливости уменьшается. Объясняют это тем, что в больших деталях с большим объемом материала больше дефектных мест (раковины, микротрещины, неметаллические включения, следы от обработки поверхности).

Внешняя среда. Коррозионная среда (вода, соленая вода, кислоты, пары и т.д.) резко снижают усталостную прочность. Желательно использовать защитные покрытия поверхностей (окраска, цинкование, азотирование и т.д.)

Подобные документы

Определение линейных скоростей и ускорений точек звеньев механизма; расчётных участков бруса; реакции опор из условий равновесия статики; внутреннего диаметра болта. Расчет передач с эвольвентным профилем зубьев; прочности стыкового соединения детали.

контрольная работа [2,6 M], добавлен 07.04.2011

Методика определения скоростей и ускорений точек твердого тела при плоском движении, порядок расчетов. Графическое изображение реакции и момента силы. Расчет реакции опор для способа закрепления бруса, при котором Yа имеет наименьшее числовое значение.

задача [345,9 K], добавлен 23.11.2009

Действие электрического тока на организм человека. Факторы, влияющие на исход поражения током. Нормирование напряжений прикосновения и токов через тело человека. Эквивалентная схема электрического сопротивления различных тканей и жидкостей тела человека.

контрольная работа [69,3 K], добавлен 30.10.2011

Определение равнодействующей системы сил геометрическим способом. Расчет нормальных сил и напряжений в поперечных сечениях по всей длине бруса и балки. Построение эпюры изгибающих и крутящих моментов. Подбор условий прочности. Вычисление диаметра вала.

контрольная работа [652,6 K], добавлен 09.01.2015

Гипотезы сопротивления материалов, схематизация сил. Эпюры внутренних силовых факторов, особенности. Три типа задач сопротивления материалов. Деформированное состояние в точке тела. Расчёт на прочность бруса с ломаной осью. Устойчивость сжатых стержней.

Динамические испытания могут проводиться под воздействием реальных или искусственно созданных нагрузок. Реальные нагрузки применяют тогда, когда использование искусственных динамических воздействий затруднено или невозможно (например, в действующем цехе). Основные виды реальных динамических нагрузок: вибрационная от стационарного оборудования (токарные станки, вентиляторы, центрифуги и др.); ударная от падающих частей силовых установок (молоты, копры и др.); подвижная от движущегося транспорта, оборудования и масс людей; сейсмические воздействия при землетрясениях и взрывах; пульсации от ветра, вызывающие колебания сооружений башенного типа.

Искусственные нагрузки можно создавать различными способами: ударами (сбрасыванием груза, обрывами оттяжек), вибродомкратами, вибромашинами (рис. 1.3). Удары являются наиболее простым способом создания одноразового воздействия для возбуждения затухающих колебаний. Удары могут осуществляться сбрасыванием груза на грунт или конструкцию (рис. 1.3, а, г), сбрасыванием груза, прикрепленного к оттяжке 2, обрывом оттяжки в заранее намеченном месте, где ее сечение уменьшено (точка 5 на рис. 1.3, г, (3).

Рис. 1.3. Способы создания динамического воздействия:

& таран; б — сбрасывание груза; в — сбрасывание груза на конструкцию; г, д — обратный удар (обрыв оттяжки); е — вибродомкрат; ж — вибромашина; 1 испытываемая конструкция; 2 — подвеска; 3 — груз; 4 — песок; о — место обрыва в оттяжке; 6 — анкер; 7 — масло; 8 — плунжерный барабан; 9 — гидропульсатор; 10 — вращающиеся массы с эксцентриками; 11 — ,станина

Непрерывное вибрационное воздействие производится с помощью вибродомкратов или вибромашин (рис. 1.3, е, ж). Вибродомкрат представляет собой обычный домкрат с дополнительными пружинами для быстрого возврата поршня. Циклическое перемещение поршня достигается созданием

переменного потока жидкости в полости цилиндра. Переменный поток жидкости создается специальным агрегатом — пульсатором 9. Вибродомкраты позволяют создавать нагрузки до сотен тонн и проводить испытания по программе.

Вибрационная машина — это установка, в которой электродвигатель вращает одну или несколько неуравновешенных масс (рис. 1.3, ж). В вибромашине с одной неуравно- иешенной массой т при угловой скорости со развивается центробежная сила

где I — эксцентриситет массы т.

Направление силы Р постоянно изменяется, а горизонтальная х и вертикальная у составляющие меняются по гармоническому закону:

где а — угол, характеризующий положение массы т в данный момент времени.

Так как изменение направления силы Р не всегда желательно, то чаще используют машины с двумя и более неуравновешенными массами, которые вращаются в разные стороны на параллельных осях. При этом горизонтальные составляющие х_г и х₂ взаимно погашаются, а вертикальные у_г и у₂ — суммируются. Для определения характеристик собственных (свободных) колебаний конструкций необходимо их дополнительно испытывать на искусственно созданную ударную нагрузку.

1. Динамические нагрузки бывают детерминированными (неслучайными) и случайными.

Детерминированные нагрузки возникают при работе механизмов с неуравновешенной массой вентиляторов, молотов, электродвигателей, генераторов, кривошипно-шатунных механизмов и т. д. К стандартным случайным нагрузкам относятся ветровые нагрузки на высотные сооружения, волновые нагрузки на морские основания и др.

2. Динамические нагрузки бывают неподвижные и подвижные. К неподвижным нагрузкам относятся воздействия на здания стационарно установленного оборудования. К подвижным относятся воздействия на строительные конструкции от работы подвесных и мостовых кранов, электрокаров, подвижного состава, а также от перемещения людей.

3. По характеру изменения нагрузок во времени различают непериодические, импульсные, периодические, гармонические (рис. 2). Ударная нагрузка имеет особый характер.

К непериодическим нагрузкам можно отнести воздействие на строительные конструкции взрывных нагрузок - горение газовой смеси, взрыв взрывчатых веществ и т. п.

Ударной нагрузкой считается воздействие на конструкцию или здание другой массы, когда конструкцию или здание другой массы, когда учитывают взаимодействие двух и более соударяемых тел.

Рис. 2. Характерные типы динамических нагрузок: а - непериодические, б -импульсные, в - периодические, г - гармонические.

2. Нагрузочные устройства для создания динамических нагрузок..

Для приложения динамических нагрузок применяют следующие методы: механические, пневматические, гидравлические, электрические, электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Для образования динамических воздействий циклического характера механическими способами на конструкции, расположенные на вибростендах, вибростолах, виброплатформах, используют центробежные и кривошипные механизмы. Скоростные и ударные нагрузки получают при использовании гравитационных, маятнико-гравитационных и других механизмов.

Пневматический способ заключается в применении энергии сжатого газа, получаемой при взрыве или путём предварительного сжатия объёмов газа. Для получения циклических нагрузок используют струйные автоколебательные и объёмно-струйные устройства. Скоростные воздействия образуют объёмно-аккумуляторными и взрывчатыми системами.

Гидравлические способы основаны на применении механизмов преобразования получаемой извне энергии в энергию сжатой жидкости. Динамические воздействия можно создавать с помощью электрожуравлических усилительных систем. Скоростные и ударные нагрузки осуществляют объёмно-аккумуляторными, маховиково-насосными, циркуляционными устройствами.

Электрические методы в основном используется при создании циклических нагрузок. Электромагнитные возбудители колебаний создают силу в результате взаимодействия ферримагнитного якоря с переменным магнитным полем.

Электродинамические возбудители колебаний создают переменную силу в результате взаимодействия проводника, по которому протекает переменный ток, с постоянным магнитным полем.

Магнитострикционные возбудители колебаний представляют собой стержни из магнитострикционных материалов (ферриты, никель и др.) с обмоткой.

В магнитострикционных возбудителях энергия магнитного поля преобразуется в энергию механический колебаний.

Пьезоэлектрические возбудители колебаний основаны на обратном пьезоэффекте, т. е. на возникновении механических деформаций при действии электрического поля. Пьезоэлектрические эффекты проявляются в таких материалах, как кварц, сульфат лития, сульфоиодид сурьмы, титанат бария, сегнетова соль и др.

Схема возбудителя колебаний при использовании кривошипно-шатунного механизма представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема возбуждения колебаний кривошипно-шатунным механизмом: АВ - шатун, АО - кривошип, С - пружина, м - масса испытуемого объекта, М - масса платформы.

Если длинны шатуна АВ достаточно велика по сравнению с длинной кривошипа OA, то точка В совершает гармоническое движение.

Достоинством данной системы является простота исполнения, недостатком - возможность использования лишь при стационарных режимах. Такие установки в основном используются при испытании моделей на вибростолах и видроплатформах.

При испытании реальных конструкций широко применяются механические вибраторы с центробежным возбуждением.

Недостатком вибрационных систем механического действия является их большая масса и сложность их крепления к строительным конструкциям в натуральных условиях.

На рис. 13 представлены три типа механических вибраторов с разными направлениями возмущения: а - ненаправленного типа, б - уравновешенная система, в - с неуравновешенными массами.

Рис. 13. Схемы вибрационных машин.

Механические вибромашины обладают существенными инерционными свойствами, что ограничивает область их применения при создании периодических возмущений негармонического характера, а тем более случайных возмущений.

Создание удара гравитационными силами показано на рис. 14.

Рис. 14. Схемы возбуждения колебаний гравитационными силами.

В первом случае груз свободно падает с заданной высоты Н на подкладку, защищающую конструкцию от местного разрушения.

Во втором случае груз при падении внезапно передаёт нагрузку на конструкцию. В обоих случаях масса грузов должна быть значительно меньше массы конструкций для того, чтобы не искажать их динамические характеристики.

Горизонтальные динамические колебания можно производить баллистическим маятником (в). Возможна схема (г), когда конструкция первоначально отклоняется от состояния равновесия, а затем внезапно освобождается от связей перерезанием троса 1. Такой вариант приложения гравитационного воздействия позволяет определять соответствующие формы и частоты колебаний в конструкциях.

Динамические колебания можно образовывать с помощью плунжерного гидропульсатора (рис. 15).

Рис. 15. схема плунжерного гидропульсатора: 1 - кривошип, 2 -цилиндр пульсатора, 3 - плунжер, 4 - аккумулятор.

При вращении кривошипа (1) со скоростью и из цилиндра (2) гидропульсатора вытесняется жидкость, приводящая в движение плунжер (3). В гидравлическую цепь для регулирования динамических характеристик подсоединяют аккумулятор (4).

Несколько по другому принципу создаёт колебания роторный пульсатор (рис. 16).

Принцип работы роторного гидропульсатора заключается в том, что по двум гидравлическим каналам (4) с помощью ролотникового распределителя (6) и стандартного кольца (7) создаётся избыточное давление и вакуум, а с помощью аккумулятора (3) - знакопеременное возбуждение. Роторный пульсатор (5) соединён с коробкой гидроцилиндра (1), который приводит в движение массу М (2), создавая внешнее воздействие гидравлическими силами на строительную конструкцию, например балку или ферму или ее фрагмент.

В лабораторных условиях при испытаниях конструкций применяется взрывной способ для получения кратковременных динамических воздействий. На рис. 17 представлена схема взрывной камеры, где кратковременная нагрузка на объект производится путём взрыва тротила или другого взрывчатого вещества (1).

По мере удаления ударного фронта от места взрыва давления в камере выравнивается и испытуемая конструкция (3) воспринимает равномерное давление (2).

Для получения давления, изменяющегося во времени, на пути взрывного фронта устанавливаются диафрагмы, разрушаемые давлением.

На рис.18 проиллюстрированы две схемы возбуждения колебаний электромагнитным способом. На схеме (а) представлен возбудитель, в котором отсутствует поляризация участков магнитопровода (3), на схеме (б) поляризация осуществляется пропусканием постоянного тока через одну из обмоток.

Рис. 18. Схемы электромагнитных возбудителей колебаний: 1 - рабочая масса, 2 - система подвеса, 3 - магнитопривод.

В электродинамическом возбудителе колебаний (рис.19) переменная сила образуется за счёт взаимодействия проводника (1), по которому проходит переменный ток с постоянным магнитным полем, создаваемым катушками подмагничивания (2). Рабочая масса испытываемого объекта (3) опирается на систему подвеса (4), которая крепится к корпусу (5). Центрирование массы конструкции обеспечивается с помощью керна.

Рис.19 Схема возбуждения колебаний электродинамическим способом: 1 - проводник с переменным током, 2 - магнитные катушки, 3 - объект, 4 -система опоры (подвеса), 5 - корпус, 6 - керн.

Гидравлические и электрические методы применяются для образования детерминированных и случайных воздействий. Схема получения таких динамических нагрузок с использованием современных информационных технологий ЭВМ представлена на рис. 20.

Рис. 20. Блок - схема создания динамических нагрузок.

В лабораториях применяют вибростенды, на которых возможно получение линейных колебаний по направлению трёх координатных осей и вращательные колебания вокруг них.

Читайте также: