Понимание прочности и жесткости в механике материалов

Предисловие

Чтобы обеспечить надлежащее функционирование механической системы или конструкции, каждый компонент должен эффективно выполнять свою функцию. Цель проектирования безопасности инженерных компонентов - гарантировать, что компоненты обладают достаточной прочностью, жесткостью и стабильностью.

Устойчивость - это широко понимаемое понятие, означающее способность сохранять или восстанавливать свое первоначальное равновесное состояние под действием внешних сил. Например, внезапный изгиб тонкого стержня под давлением, обрушение колонны здания из-за разрушения несущей конструкции или смятие тонкостенных элементов - все это примеры неустойчивости.

Сегодня я сосредоточусь на обсуждении своего понимания жесткости и прочности.

Прочность

Прочность

Что такое сила?

Определение: Способность компонентов или деталей противостоять повреждению (разрушению) или значительной деформации при воздействии внешней силы.

Например, Том использовал свой iPad в качестве весов, но когда он встал на них, экран треснул, что говорит о недостатке прочности. Точно так же многие крупные ветки ломаются во время сильного ветра летом, что свидетельствует о недостатке прочности.

Прочность - это мера способности материала противостоять разрушению, например, излому. Обычно она включает в себя прочность на растяжение и прочность на сжатие, которые отражают степень разрушения материала под действием напряжения.

Единица измерения прочности обычно выражается в МПа.

Тип отказа сила

Хрупкое разрушение: внезапное разрушение, происходящее без явной пластической деформации.

Например, разрушение чугунного образца вдоль поперечного сечения при испытании на растяжение, а также разрушение чугунного образца с круглым сечением вдоль косого сечения при испытании на кручение.

Пластическая текучесть: в материале возникает значительная пластическая деформация, в результате которой деталь теряет работоспособность.

Например, образец из низкоуглеродистой стали будет иметь значительную пластическую деформацию при растяжении или кручении.

Теория прочности

1. Теория максимального растягивающего напряжения:

Когда максимальное растягивающее напряжение σ1 в точке элемента достигает предельного напряжения σb в условиях однонаправленного напряжения, материал подвергается хрупкому разрушению. Таким образом, критерии хрупкого разрушения деталей с критическими точками в условиях сложного напряженного состояния: σ1 = σb.

Следовательно, условия прочности, установленные первым теория прочности являются: σ1 ≤ σb.

2. Теория максимальной деформации при растяжении:

Когда максимальная деформация растяжения ε1 достигает предельного значения εu в условиях однонаправленного напряжения, материал разрушается из-за хрупкого разрушения. Это можно выразить как ε1 = εu.

Исходя из обобщенного закона Гука, мы можем вычислить ε1 как: ε1 = [σ1 - u(σ2 + σ3)] / E, поэтому σ1 - u(σ2 + σ3) = σb.

Условия прочности, установленные второй теорией прочности, таковы: σ1 - u(σ2 + σ3) ≤ σb.

3. Теория максимального напряжения сдвига:

Когда максимальное напряжение сдвига τMax достигает предельного напряжения сдвига τ0 в условиях однонаправленного напряжения, материал разрушается из-за текучести. Это можно выразить как τMax = τ0.

Формула для напряжения сдвига в наклонном сечении при осевом растяжении: τ0 = σs/2 (σs - нормальное напряжение в сечении). Формула для τMax равна (σ1 - σ3)/2. Таким образом, условие повреждения можно переписать как σ1 - σ3 = σs.

Условие прочности, установленное третьей теорией прочности, таково: σ1 - σ3 ≤ σs.

4. Теория удельной энергии изменения формы:

Когда коэффициент изменения формы в какой-либо точке элемента достигает предельного значения в условиях однонаправленного напряжения, материал разрушается из-за текучести.

Условие прочности, установленное четвертой теорией прочности, таково:

√(σ1^2 + σ2^2 + σ3^2 - σ1σ2 - σ2σ3 - σ3σ1) < σs.

2. Жесткость

Что такое жесткость

Определение: Означает способность элементов или деталей сопротивляться упругой деформации или смещению под действием внешней силы, то есть упругая деформация или смещение не должны превышать допустимый диапазон проекта.

Жесткость - это параметр, отражающий связь между деформацией конструкции и силой, указывающий на величину деформации, возникающей при приложении определенной силы.

Если говорить простым языком, то жесткость похожа на источникгде жесткость пружины определяется как отношение растягивающей силы к удлинению. Единица измерения жесткости обычно выражается в Н/м.

Тип жесткости:

Когда приложенная нагрузка постоянна, это называется статической жесткостью.

Когда нагрузка чередуется, это называется динамической жесткостью.

Статическая жесткость включает в себя структурную жесткость и контактную жесткость.

Конструктивная жесткость относится к жесткости самой конструкции и включает в себя жесткость на изгиб и жесткость на кручение.

1. Жесткость на изгиб: рассчитывается по следующей формуле:

K=P/δ

Где P - статическая нагрузка (n);

δ-- Упругая деформация в направлении нагрузки( μm)。

2. Жесткость на кручение рассчитывается по следующей формуле:

Km=ML/θ

Где M - приложенный крутящий момент (n - m);

L - расстояние от места приложения крутящего момента до неподвижного конца (м);

θ - Угол скручивания (°)

3. Взаимосвязь между прочностью и жесткостью

прочность против жёсткости

Из приведенного выше объяснения прочности и жесткости видно, что прочность сосредоточена на разрушении под действием внешней силы и подразделяется на пластическую текучесть и хрупкое разрушение, что связано с кривой напряжения-деформации при испытании на растяжение. В отличие от этого, жесткость относится к взаимосвязи между деформацией и силой.

Как показано на рис.

Взаимосвязь между прочностью и жесткостью

Кривую, изображенную на рисунке, можно разделить на четыре этапа:

1. Стадия упругой деформации;

2. Стадия урожайности;

3. Стадия укрепления;

4. Стадия локального омертвения.

Жесткость определяется как сопротивление упругой деформации, которая возникает на начальном этапе и подчиняется закону Гука в условиях упругости.

Расчет жесткости на изгиб и жесткости на кручение при статические нагрузки схож с законом Гука, что говорит о том, что жесткость измеряется только на стадии упругой деформации.

На следующем этапе, когда во время испытания на растяжение происходит пластическая деформация, остаточная деформация не исчезает. На кривой "напряжение-деформация", хотя напряжение остается почти неизменным, деформация значительно возрастает. В этот момент напряжение достигает предела текучести, и материал переходит в стадию пластического разрушения. По мере того как напряжение продолжает расти, деформация также увеличивается, пока не достигнет предела прочности.

Поэтому измерение прочности происходит после того, как материал подвергся упругой деформации и до того, как он достигнет предела прочности.

Заверните его

В заключение следует отметить, что на стадии разрушения деталей оцениваются как жесткость, так и прочность, причем жесткость измеряется напряжением, а прочность - деформацией.

С точки зрения порядка их следования в процессе деформации, жесткость возникает на более ранней стадии, а прочность - на более поздней.

Таким образом, при оценке условий разрушения деталей, при условии соблюдения требований к жесткости, деталь должна выдерживать достаточные напряжения на этапе упругой деформации, что, в свою очередь, должно соответствовать требованиям к прочности.

Эта взаимосвязь отражается в различных конструкциях, например, в валах механического оборудования. Как правило, размер вала определяется исходя из условий прочности, а затем проверяется его жесткость исходя из условий жесткости.

Поэтому требования к жесткости валов точных машин очень высоки, и при проектировании размеров их поперечного сечения часто руководствуются условиями жесткости.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.