Плоское напряженное состояние в точке. Плоское напряженное состояние, плоская деформация

Основы теории упругости

Лекция 4

Плоская задача теории упругости

Слайд 2

В теории упругости имеется большой класс задач, важных в смысле практических приложений и вместе с тем допускающих значительные упрощения математической стороны решения. Упрощение заключается в том, что в этих задачах одну из координатных осей тела, например ось z, можно отбросить и все явления рассматривать происходящими в одной координатной плоскости х0у нагруженного тела. В этом случае напряжения, деформации и перемещения будут являться функциями двух координат – х и у.

Задача, рассматриваемая в двух координатах, называется плоской задачи теории упругости .

Под термином «плоская задача теории упругости » объединяют две физически разные задачи, приводящие к весьма сходным математическим зависимостям:

1) задачу о плоском деформированном состоянии (плоская деформация);

2) задачу о плоском напряжённом состоянии.

Для этих задач чаще всего характерно значительное отличие одного геометрического размера от двух других размеров рассматриваемых тел: большая длина в первом случае и малая толщина во втором случае.

Плоская деформация

Деформация называется плоской, если перемещения всех точек тела могут происходить только в двух направлениях в одной плоскости и не зависят от координаты, нормальной к этой плоскости, т. е.

u=u(x,y); v=v(x,y); w=0 (4.1)

Плоская деформация возникает в длинных призматических или цилиндрических телах с осью, параллельной оси z, вдоль которой по боковой поверхности действует нагрузка, перпендикулярная этой оси и не меняющаяся по величине вдоль неё.

Примером плоской деформации может служить напряжённо-деформированное состояние, возникающее в длинной прямой плотине и длинном своде подземного тоннеля (рис. 4.1).

Рисунок – 4.1. Плоская деформация возникает в теле плотины и своде подземного тоннеля

Слайд 3

Подставляя компоненты вектора перемещения (4.1) в формулы Коши (2.14), (2.15), получим:

(4.2)

Отсутствие линейных деформаций в направлении оси z ведёт к появлению нормальных напряжений σ z . Из формулы закона Гука (3.2) для деформации ε z следует, что

откуда получается выражение для напряжения σ z:

(4.3)

Подставляя это соотношение в две первые формулы закона Гука, находим:

(4.4)

Слайд 4

Из анализа формул (4.2) − (4.4) и (3.2) также следует, что

Таким образом, основные уравнения трёхмерной теории упругости в случае плоской деформации значительно упрощаются.

Из трёх дифференциальных уравнений равновесия Навье (2.2) остаются только два уравнения:

(4.5)

а третье обращается в тождество.

Так как на боковой поверхности везде направляющий косинус n=cos(v,z)=cos90 0 =0, Z v =0, то из трёх условий на поверхности (2.4) остаются только два уравнения:

(4.6)

где l, m – направляющие косинусы внешней нормали v к поверхности контура;

X, Y, X v , Y v – компоненты объёмных сил и интенсивности внешних поверхностных нагрузок на оси x и у, соответственно.

Слайд 5

Шесть уравнений Коши (2.14), (2.15) сводятся к трём:

(4.7)

Из шести уравнений неразрывности деформаций Сен-Венана (2.17), (2.18) остаётся одно уравнение:

(4.8)

а остальные обращаются в тождества.

Из шести формул закона Гука (3.2), с учётом (4.2), (4.4), остаются три формулы:

В этих соотношениях для традиционного в теории упругости вида записи введены новые упругие постоянные:

Слайд 6

Плоское напряжённое состояние

Плоское напряжённое состояние возникает в том случае, когда длина того же призматического тела мала, по сравнению с двумя другими, размерами. В этом случае она называется толщиной. Напряжения в теле действуют только в двух направлениях в координатной плоскости хОу и не зависят от координаты z . Примером такого тела может служить тонкая пластина толщиной h , нагруженная по боковой поверхности (ребру) силами, параллельными плоскости пластины и равномерно распределёнными по её толщине (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Тонкая пластинка и приложенные к ней нагрузки

В этом случае также возможны упрощения, аналогичные упрощениям в задаче о плоской деформации. Компоненты тензора напряжений σ z , τ xz , τ yz на обеих плоскостях пластины равны нулю. Так как пластина тонкая, то можно считать, что они равны нулю и внутри пластины. Тогда напряжённое состояние будет определяться только компонентами σ x , σ y , τ xy которые не зависят от координаты z, т. е. не меняются по толщине пластины, а являются функциями только x и y.

Таким образом, в тонкой пластине возникает следующее напряжённое состояние:

Слайд 7

В отношении напряжений плоское напряжённое состояние отличается от плоской деформации условием

Кроме того, из формулы закона Гука (3.2), с учётом (4.10), для линейной деформации ε z получаем, что она не равна нулю:

Следовательно, основания пластины будут искривляться, так как появятся перемещения по оси z.

При этих предположениях основные уравнения плоской деформации: дифференциальные уравнения равновесия (4.5), условия на поверхности (4.6), уравнения Коши (4.7) и уравнения неразрывности деформаций (4.8) сохраняют такой же вид в задаче о плоском напряжённом состоянии.

Формулы закона Гука примут следующий вид:

Формулы (4.11) отличаются от формул (4.9) закона Гука для плоской деформации только значениями упругих постоянных: E и E 1 , v и v 1 .

Слайд 8

В обратной форме закон Гука запишется так:

(4.12)

Таким образом, при решении этих двух задач (плоская деформация и плоское напряжённое состояние) можно пользоваться одними и теми же уравнениями и объединять задачи в одну плоскую задачу теории упругости.

В плоской задаче теории упругости восемь неизвестных:

– две компоненты вектора перемещений u и v;

– три компоненты тензора напряжений σ x , σ y , τ xy ;

– три компоненты тензора деформаций ε x , ε y , γ xy .

Для решения задачи используют восемь уравнений:

– два дифференциальных уравнения равновесия (4.5);

– три уравнения Коши (4.7);

– три формулы закона Гука (4.9), или (4.11).

Кроме того, полученные деформации должны подчиняться уравнению неразрывности деформаций (4.8), а на поверхности тела должны выполняться условия равновесия (4.6) между внутренними напряжениями и интенсивностями внешней поверхностной нагрузки X v , Y v .

ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЯ («ПЛОСКАЯ ЗАДАЧА»)

Плоское напряженное и плоское деформированное состояния характеризуются следующими особенностями.

1. Все компоненты напряжений не зависят от одной из коор­динат, общей для всех компонент, и остаются постоянными при ее изменении.

2. В плоскостях, нормальных к оси этой координаты:

а) компоненты касательных напряжений равны нулю;

б) нормальное напряжение или равно нулю (плоское напряженное состояние), или равно полусумме двух других нормаль­ных напряжений (плоское деформированное состояние).

Примем за ось, о которой говорилось ранее, ось у. Из преды­дущего ясно, что эта ось будет главной, т. е. ее можно обозна­чить также и индексом 2. При этом , и не зависят от у; вместе с тем и , а следовательно, и и равны нулю.

Для плоского напряженного состояния = 0. Для плоского деформированного состояния (эта особенность плоского деформированного состояния будет доказана далее).

Следует всегда учитывать существенную разницу между плоским напряженным и плоским деформированным состояниями.

В первом, в направлении третьей оси, нет нормального напря­жения, но есть деформация, во втором есть нормальное напря­жение, но нет деформации.

Плоское напряженное состояние может быть, например, в пла­стине, подверженной действию сил, приложенных к ее контуру параллельно плоскости пластины и распределенных равномерно по ее толщине (рис. 3.16). Изменение толщины пластины в этом случае не имеет значения, и толщина ее может быть принята за единицу . Плоским с достаточной точностью можно считать напряженное состояние фланца при вытяжке цилиндрической заготовки из листового материала.

Плоское деформированное состояние может быть принято для участков цилиндрического или призматического тела большой длины, отдаленных от его концов, если тело нагружено силами, не меняющимися по его длине и направленными перпендикулярно образующим. В плоском деформированном состоянии, напри­мер, можно считать брус, подвергающийся осадке в направлении его толщины, когда деформацией по длине можно пренебречь.

Все уравнения напряженного состояния для плоской задачи значительно упрощаются и сокращается количество переменных.

Уравнения для плоской задачи можно легко получить из выведенных ранее для объемного напряженного состояния, учи­тывая, что = 0 и принимая = 0, по­скольку следует рассматривать наклонные площадки только параллельные оси у, т. е. нормальные к площадкам, свободным от напряжений при плоском напряженном состоянии или свобод­ным от деформаций при плоском деформированном состоянии (рис. 3.17).

В рассматриваемом случае

Обозначая угол (см. рис. 3.17) между нормалью к наклонной площадке и осью (или осью , если напряженное состояние дано в главных осях 1 и 2) через , получаем , откуда .

Учитывая вышесказанное, путем непосредственных подста­новок в соответствующие выражения (3.10) и (3.11) для объем­ного напряженного состояния получим нормальное и касатель­ное напряжения в наклонной площадке (см. рис. 3.17).

Рис.3.15. Плоское напряженное состояние (а), напряжение на наклонной площадке (б)

Нормальное напряжение

Касательное напряжение

. (3.41)

Из выражения (3.41) легко видеть, что имеет максимум при sin 2 = 1, т. е. при = 45°:

. (3.42)

Величину главных напряжений можно выразить через компо­ненты в произвольных осях, использовав уравнение (3.13), из которого получим

. (3.43)

При этом для плоского напряженного состояния = 0; для плоского деформированного состояния

Зная напряженное состояние в главных осях, легко перейти на любые произвольные координатные оси (рис. 3.18). Пусть новая координатная ось х составляет угол с осью , тогда, рас­сматривая ее как нормаль к наклонной площадке, имеем для последней по уравнению (3.40)

но для оси напряжение является напряжением , следо­вательно,

выражение это можно преобразовать так:

(3.44)

Новая ось будет наклонена к оси 1 на угол ( +90°); следовательно, заменяя в предыду­щем уравнении на ( + 90°), получим

Напряжение определим из выражения (3.41):

. (3.46)

Обозначая среднее напряжение через , т. е. принимая

, (3.47)

и учтя уравнение (3.42), получим так называемые формулы преобразования, которые выражают компоненты напря­жений в функции угла :

(3.48)

При построении диаграммы Мора учтем, что поскольку мы рассматриваем площадки, параллельные оси у (т. е. оси 2), на­правляющий косинус всегда равен нулю, т. е. угол = 90°. Поэтому все корреспондирующие значения и будут распо­ложены на окружности, определяемой уравнением (3.36 б) при подстановке в него = 0, а именно:

, (3.49)

или с учетом выражений (3.47) и (3.42)

. (3.49а)

Эта окружность представлена на рис. 3.19 и является диаг­раммой Мора. Координаты какой-нибудь точки Р, расположенной на окружности, определяют корреспондирующие значения и Соединим точку P с точкой .Легко видеть,что отрезки 0 2 Р = ;

Рр= , Ор= ,и, следовательно, sin = .

Сравнивая полученные вы­ражения с уравнениями (3.48), можно установить, что

Р0 2 А = 2 , Р0 2 А = .

Таким образом, зная положение наклонной площадки, определяемое углом , можно найти значения напряжений и , действующих в этой площадке.

Рис.3.17. Диаграмма Мора

,

то отрезок ОР выражает полное напряжение S.

Если элемент напряженного тела, в наклонной грани которого рассматривают напряжения, вычертить так, чтобы главное напря­жение было направлено параллельно оси , то нормаль N, проведенная к этой наклонной грани, а следовательно, и направ­ление напряжения будут параллельны отрезку СР.

Продолжив линию Р0 2 до пересечения с окружностью, в точке Р" получим вторую пару значений и для другой наклонной площадки, у которой " = + 90°, т. е. для площадки, перпен­дикулярной к первой, с направлением нормали ". Направления нормалей N и N" можно принять соответственно за направления новых осей : и , а напряжения и " - соответственно за коор­динатные напряжения и . Таким образом, можно определить напряженное состояние в произвольных осях без использования формул (3.44)-(3.46). Абсолютные величины напряжений гит" равны между собой по закону парности.

Нетрудно решить и обратную задачу: по заданным напряже­ниям в двух взаимно перпендикулярных площадках , и , т" (где т" = т) найти главные напряжения.

Проводим координатные оси н и (рис. 3.19). Наносим точки Р и Р" с координатами, соответствующими заданным напряжениям , и , . Пересечение отрезка РР" с осью определит центр круга Мора 0 2 с диаметром РР" = 2 31 . Далее, если построить оси N, N" (или, что то же, , ) и повернуть фигуру так, чтобы направления этих осей были параллельны направлениям напря­жений и в рассматриваемой точке данного тела, то направ­ления осей и диаграммы будут параллельны направлению главных осей 1 и 2.

Дифференциальное уравнение равновесия для плоской задачи получим из уравнений (3.38), учитывая, что все производные по у равны нулю, а также равны нулю и :

(3.50)

При решении некоторых задач, относящихся к плоским, иногда бывает удобно пользоваться вместо прямоугольных коор­динат полярными, определяя положение точки радиусом-век­тором и полярным углом , т. е. углом, который составляет радиус-вектор с осью .

Условия равновесия в полярных координатах легко получить из тех же условий в цилиндрических координатах, приравняв

И учтя, что производные по равны

(3.51)

Частным случаем плоской задачи является такой, когда напря­жения не зависят также и от координаты (симметричное отно­сительно оси распределение напряжений). В этом случае обра­тятся в нуль производные по и напряжения и , а условия равновесия определятся одним дифференциальным уравнением

. (3.52)

Ясно, что напряжения и здесь являются главными.

Такое напряженное состояние можно принять для фланца круглой заготовки при вытяжке без прижима цилиндрического стакана.

Вид напряженного состояния

Напряженное состояние в какой-либо точке деформируемого тела характеризуется тремя главными нормальными напряже­ниями и направлениями главных осей.

Различают три основных вида напряженного состояния: объемное (трехосное), при котором все три главных напряжения не равны нулю, плоское (двухосное), при котором одно из главных напряжений равно нулю, и линейное (одноосное), при котором только одно главное напряжение отлично от нуля.

Если все нормальные напряжения имеют одинаковый знак, то напряженное состояние называют одноименным, а при напряже­ниях различного знака - разноименным.

Таким образом существует девять видов напряженного состоя­ния: четыре объемных, три плоских и два линейных (рис.3.18).

Напряженное состояние называют однородным, когда в любой точке деформируемого тела направления главных осей и вели­чины главных нормальных напряжений остаются неизменными.

Вид напряженного состояния влияет на способность металла пластически деформироваться не разрушаясь и на величину внешней силы, которую необходимо приложить для осуществле­ния деформации заданной величины.

Так, например, деформирование в условиях одноименного объемного напряженного состояния требует большего усилия, чем при разноименном напряженном состоянии при прочих рав­ных условиях.

Контрольные вопросы

1.Что такое напряжение? Чем характеризуется напряженное состояние точки, тела в целом?

2.Что выражают индексы в обозначениях компонент тензора напряжения?

3.Приведите правило знаков для компонент тензора напряжений.

4. Запишите формулы Коши для напряжений на наклонных площадках. Что кладется в основу их вывода?

5.Что такое тензор напряжений? Какие компоненты входят в состав тензора напряжений?

6.Как называются собственные векторы и собственные значениям тензора напряжений?

7.Что такое главные напряжения? Сколько их?

8.Приведите правило присвоения индексов главным нормальным напряжениям.

9.Дайте физическое толкование главных нормальных напряжений и глав­ных осей тензора напряжений.

10.Покажите схемы главных нормальных напряжений для основных про­цессов ОМД - прокатки, волочения, прессования.

11.Что такое инварианты тензора напряжений? Сколько их?

12.В чем состоит механический смысл первого инварианта тензора напряжений?

13.Что называется интенсивностью касательных напряжений?

14..Что такое главные касательные напряжения? Найдите площадки их действия

15..Сколько площадок главных касательных напряжений можно указать в некоторой точке деформируемого тела?

16.Чему равно максимальное касательное напряжение, нормаль­ное напряжение на площадке, по которой оно действует?

17.Что такое осесимметричное напряженное состояние? Приведите примеры.

18.Покажите схемы главных нормальных напряжений для основных про­цессов ОМД - прокатки, волочения, прессования.

19.Что общего между плоским напряженным и плоским деформированным состояниями и какая между ними разница? К какому из этих состояний отно­сится простой сдвиг?

20.Приведите известные Вам формулы теории напряжений в главной си­стеме координат

21.Что такое эллипсоид напряжений? Запишите его уравнение и укажите порядок построения. Какой вид имеет эллипсоид напряжений для гидростатиче­ского давления, плоского и линейного напряженных состояний?

22. Запишите уравнение для нахождения главных нормальных напряжения и три системы уравнений для нахождения главных осей Т а.

23..Что такое шаровой тензор и девиатор напряжений? Для расчета каких величин используются второй и третий инварианты девиатора напряжений?

24.Покажите, что главные системы координат тензора и девиатора напря­жений совпадают.

25.Для чего вводятся в рассмотрение интенсивность напряжений и интен­сивность касательных напряжений? Объясните их физический смысл и дайте геометрические интерпретации.

26.Что такое диаграмма Мора? Чему равны радиусы главных окружно­стей?

27.Как изменится диаграмма Мора при изменении среднего напряжения?

28. Что такое октаидрические напряжения?

29. Сколько характерных площадок можно провести через точку тела, находящегося в напряженном состоянии?

30. Условия равновесия для объемного напряженного состояния в прямоугольных координатах, в цилиндрических и сферических координатах.

31. Уравнения равновесия для плоской задачи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильюшин А. А. Пластичность. Ч. I. M.-Л., ГТИ, 1948. 346 с. (33)

2. Павлов И. М. О физической природе тензорных представлений в теории пластичности.– «Известия вузов. Черная металлургия», 1965, №6, с. 100–104.

3. Соколовский В. В. Теория пластичности. М., «Высшая школа», 1969. 608 с. (91)

4. Сторожев М. В. и Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М., «Машиностроение», 1971. 323 с. (99)

5. Тимошенко С. П. Теория упругости. Гостехиздат, 1934. 451 с. (104)

6. Ш о ф м а н Л. А. Основы расчета процесса штамповки и прессования. Машгиз, 1961. (68)

Лекция 15

Примером конструкции, все точки которой находятся в плоском напряженном состоянии, может служить тонкая пластинка, нагруженная по торцам силами, которые лежат в ее плоскости. Поскольку боковые поверхности пластинки свободны от напряжений, то в силу малости ее толщины можно считать, что и внутри пластинки на площадках, параллельных ее поверхности, напряжения пренебрежимо малы. Подобная ситуация возникает, например, при нагружении валов и балок тонкостенного профиля.

В общем случае, говоря о плоском напряженном состоянии, мы имеем в виду не всю конструкцию, а только рассматриваемую точку ее элемента. Признаком того, что в данной точке напряженное состояние является плоским, служит наличие проходящей через нее площадки, на которой отсутствуют напряжения. Такими точками будут, в частности, точки свободной от нагрузок внешней поверхности тела, которые в большинстве случаев и являются опасными. Отсюда понятно внимание, которое уделяется анализу этого вида напряженного состояния.

При изображении элементарного параллелепипеда, находящегося в плоском напряженном состоянии, достаточно показать одну из его ненагруженных граней, совместив ее с плоскостью чертежа (рис. 15.1).Тогда нагруженные грани элемента совместятся с границами показанной площадки. При этом система обозначений для напряжений и правила знаков остаются прежними – изображенные на рисунке компоненты напряженного состояния положительны. С учетом закона парности касательных напряжений

t xy = t yx , плоское напряженное состояние (ПНС) описывается тремя независимыми компонентами - s x , s y , t xy . .

НАПРЯЖЕНИЯ НА НАКЛОННЫХ ПЛОЩАДКАХ ПРИ ПЛОСКОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Выделим из элемента, изображенного на рис. 15.1, треугольную призму, мысленно разрезав его наклонным сечением, перпендикулярным плоскости чертежа xOy . Положение наклонной площадки и связанных с ней осей x 1 , y 1 зададим с помощью угла a, который будем считать положительным при повороте осей против часовой стрелки.

Как и для описанного выше общего случая, показанные на рис. 15.2, напряжения можно считать действующими в одной точке, но на различно ориентированных площадках. Напряжения на наклонной площадке найдем из условия равновесия призмы, выразив их через заданные напряжения s x , s y , t xy на гранях, совпадающих с координатными плоскостями. Обозначим площадь наклонной грани dA , тогда площади координатных граней найдутся так:

dA x = dA cos a,

dA y = dA sin a.

Спроектируем действующие на гранях призмы силы на оси x 1 и y 1:

Сократив на общий множитель dA , и выполнив элементарные преобразования, получим

Если учесть, что

выражениям (15.1) можно придать следующий окончательный вид:

На рис. 15.3 вместе с исходным показан бесконечно малый элемент, ориентированный по осям x 1 ,y 1 . Напряжения на его гранях, нормальных к оси x 1 , определяются формулами (15.2). Чтобы найти нормальное напряжение на грани, перпендикулярной к оси y 1 , необходимо вместо угла a подставить значение a + 90°:

Касательные напряжения и в повернутой системе координат x 1 y 1 подчиняются закону парности, т. е.

Сумма нормальных напряжений, как известно из анализа объемного напряженного состояния, является одним из его инвариантов и должна оставаться постоянной при замене одной системы координат на другую. В этом легко убедиться, сложив нормальные напряжения, определяемые из формул (15.2), (15.3):

ГЛАВНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Ранее мы установили, что площадки, на которых отсутствуют касательные напряжения, называют главными площадками, а напряжения на них – главными напряжениями. При плоском напряженном состоянии положение одной из главных площадок известно заранее – это площадка, на которой нет напряжений, т.е. совмещенная с плоскостью чертежа (см. рис.15.1). Найдем перпендикулярные ей главные площадки. Для этого положим равным нулю касательное напряжение в (15.1), откуда получим

Угол a 0 показывает направление нормали к главной площадке, или главное направление , поэтому его называют главным углом. Поскольку тангенс двойного угла является периодической функцией с периодом p/2 , то угол

a 0 + p/2 – тоже главный угол. Таким образом, всего имеется три главных площадки, причем все они взаимно перпендикулярны. Исключение составляет лишь случай, когда главных площадок не три, а бесконечное множество – например, при всестороннем сжатии, когда любое выбранное направление является главным, а напряжения одинаковы на всех проходящих через точку площадках.

Для нахождения главных напряжений можно воспользоваться первой из формул (15.2), подставляя вместо угла a последовательно значения a 0 и

Здесь учтено, что

Тригонометрические функции из выражений (15.5) можно исключить, если использовать известное равенство

А так же учесть формулу (15.4). Тогда получим

Знак плюс в формуле соответствует одному из главных напряжений, минус – другому. После их вычисления можно воспользоваться принятыми обозначениями для главных напряжений s 1 ,s 2 ,s 3 , учитывая, что s 1 – алгебраически наибольшее, а s 3 – алгебраически наименьшее напряжение. Иными словами, если найденные по выражениям (15.6) оба главных напряжения окажутся положительны, мы получим

Если оба напряжения будут отрицательны, будем иметь

Наконец, если выражение (15.6) даст значения напряжений с разными знаками, то главные напряжения будут равны

НАИБОЛЬШИЕ ЗНАЧЕНИЯ НОРМАЛЬНЫХ И КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Если мысленно поворачивать оси x 1 y 1 и связанный с ними элемент (см. рис. 15.3), напряжения на его гранях будут меняться, и при некотором значении угла a нормальное напряжение достигнет максимума. Поскольку сумма нормальных напряжений на взаимно перпендикулярных площадках остается величиной постоянной, то напряжение будет в этот момент наименьшим.

Чтобы найти это положение площадок, нужно исследовать на экстремум выражение , рассматривая его как функцию аргумента a:

Сравнив выражение в скобках с (15.2), приходим к выводу, что на искомых площадках равны нулю касательные напряжения. Таким образом, нормальные напряжения достигают экстремальных значений именно на главных площадках.

Чтобы найти наибольшее по величине касательное напряжение, примем в качестве исходных главные площадки, совместив оси x и y с главными направлениями. Формулы (15.1), в которых угол a будет теперь отсчитываться от направления s 1 , получат вид:

Из последнего выражения следует, что касательные напряжения достигают наибольших значений на площадках, повернутых к главным на 45°, когда

sin 2a = ±1 . Их максимальное значение при этом равно

Отметим, что формула (15.8) справедлива и в том случае, когда

ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПЛОСКОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ. КРУГИ МОРА

Формулы (15.7), по которым определяются напряжения на площадке, повернутой на некоторый угол α по отношению к главной, имеют наглядную геометрическую интерпретацию. Считая для определенности оба главных напряжения положительными, введем следующие обозначения:

Тогда выражения (15.7) приобретут вполне узнаваемый вид параметрического уравнения окружности в координатах σ и τ :

Индекс “ α “, в обозначениях подчеркивает, что напряжения находятся на площадке, повернутой к исходной на этот угол. Величина а определяет положение центра окружности на оси σ; радиус окружности равен R . Изображенная на рис. 15.5 круговая диаграмма напряжений по сложившейся традиции называется кругом Мора, по имени предложившего ее известного немецкого ученого Отто Мора (1835 – 1918 г.г.). Направление вертикальной оси выбрано с учетом знака τ α в (15.10). Каждому значению угла α соответствует изображающая точка K (σ α, τ α ) на окружности, координаты которой равны напряжениям на повернутой площадке. Взаимно перпендикулярным площадкам, у которых угол поворота отличается на 90˚, соответствуют точки K и K ’, лежащие на противоположных концах диаметра.

Здесь учтено, что

поскольку формулы (15.2) и (15.7) при изменении угла на 90 0 дают знак касательного напряжения в повёрнутой системе координат, у которой одна из осей совпадает по направлению с исходной осью, а другая противоположна по направлению (рис. 15.5)

Если в качестве исходных площадок выступают главные, т.е. известна величина σ 1 и σ 2 , круг Мора легко строится по точкам 1 и 2. Луч, проведённый из центра круга под углом 2a к горизонтальной оси, в пересечении с окружностью даст изображающую точку, координаты которой равны искомым напряжениям на повёрнутой площадке. Однако, удобнее пользоваться так называемым полюсом круга, направляя из него луч под углом a. Из очевидного соотношения между радиусом и диаметром круга, полюс, обозначаемый на чертеже буквой A , будет в данном случае совпадать с точкой 2. В общем случае полюс находится на пересечении нормалей к исходным площадкам. Если исходные площадки не являются главными, круг Мора строится следующим образом: на плоскость σ - t наносятся изображающие точки K (σ x ,t xy ) и K ’(σ y ,-t xy ), соответствующие вертикальной и горизонтальной исходным площадкам. Соединяя точки прямой, в пересечении с осью σ находим центр круга, после чего строится сама круговая диаграмма. Пересечение окружности с горизонтальной осью даст значение главных напряжений, а радиус будет равен наибольшему касательному напряжению. На рис. 15.7 показан круг Мора, построенный по исходным площадкам, не являющимся главными. Полюс A находится на пересечении нормалей к исходным площадкам KA и K ’A . Луч AM , проведённый из полюса под углом a к горизонтальной оси, в пересечении с окружностью даст изображающую точку M (σ a ,t a), координаты которой представляют собой напряжения на интересующей нас площадке. Лучи, проведённые из полюса в точки 1 и 2, покажут главные углы a 0 и a 0 +90 0 . Таким образом, круги Мора являются удобным графическим средством анализа плоского напряжённого состояния.

б) Напряжение на грани элемента, повёрнутого на 45 0 , найдём по (15.1)

Нормальное напряжение на перпендикулярной площадке

(a = 45 0 +90 0) будет равно

в) Наибольшие касательные напряжения найдём по (15.8)

2. Графическое решение.

Построим круг Мора по изображающим точкам K (160,40) и K ’ (60, -40)

Полюс круга A найдем на пересечении нормалей к исходным площадкам.

Круг пересечёт горизонтальную ось в точках 1 и 2. Точка 1 соответствует главному напряжению σ 1 =174 МПа, точка 2 – значению главного напряжения σ 2 = 46 МПа. Луч, проведенный из полюса A через точки 1 и 2, покажет значение главных углов. Напряжения на площадке, повёрнутой на 45 0 к исходной, равны координатам изображающей точки M , находящейся на пересечении окружности с лучом, проведенным из полюса A под углом 45 0 . Как видим, графическое решение задачи анализа напряжённого состояния совпадает с аналитическим.

Рассмотрим важный для приложений случай плоского напряженного состояния, реализуемого, например, в плоскости Oyz. Тензор напряжений в этом случае имеет вид

Геометрическая иллюстрация представлена на рис.1. При этом площадки х= const являются главными с соответствующими нулевыми главными напряжениями. Инварианты тензора напряжений равны , а характеристическое уравнение принимает вид

Корни этого уравнения равны

(1)

Нумерация корней произведена для случая

Рис.1. Исходное плоское напряженное состояние.

Рис.2. Позиция главных напряжений

Произвольная площадка характеризуется углом на рис. 1, при этом вектор п имеет компоненты: , , n х =0. Нормальное и касательное напряжения на наклонной площадке выражаются через угол следующим образом:

Наименьший положительный корень уравнения (4) обозначим через . Так как tg(х )-периодическая функция с периодом , то имеем два взаимно ортогональных направления, составляющие углы и с осью Оу. Эти направления соответствуют взаимно перпендикулярным главным площадкам (рис. 2).

Если продифференцировать соотношение (2) по и приравнять производную нулю, то придем к уравнению (4), что доказывает экстремальность главных напряжений.

Для нахождения ориентации площадок с экстремальными касательными напряжениями приравняем нулю производную от выражения

откуда получим

(5)

Сравнивая соотношения (4) и (5), находим, что

Это равенство возможно, если углы и отличаются на угол . Следовательно, направления площадок с экстремальными касательными напряжениями отличаются от направлений главных площадок на угол (рис. 3).

Рис.3. Экстремальность касательных напряжений

Величины экстремальных касательных напряжений получим после подстановки (5) в соотношение (3) с использованием формул

.

После некоторых преобразований получим

Сравнивая это выражение с полученными ранее значениями главных напряжений (2.21), выразим экстремальные касательные напряжения через главные напряжения

Аналогичная подстановка в (2) приводит к выражению для нормальных напряжений на площадках с

Полученные соотношения позволяют проводить направленно-ориентированный расчет конструкций на прочность в случае плоского напряженного состояния.

ТЕНЗОР ДЕФОРМАЦИИ

Рассмотрим вначале случай плоской деформации (рис. 4). Пусть плоский элемент MNPQ перемещается в пределах плоскости и деформируется (изменяет форму и размеры). Координаты точек элемента до и после деформации отмечены на рисунке.

Рис.4. Плоская деформация.

По определению относительная линейная деформация в точке М в направлении оси Ох равна

Из рис. 4 следует

Учитывая, что MN=dx, получим

В случае малых деформаций, когда , , можно пренебречь квадратичными слагаемыми. С учетом приближенного соотношения

справедливого при x <<1, окончательно для малой деформации получим

Угловая деформация определяется как сумма углов и (4). В случае малых деформаций

Для угловой деформации имеем

Проводя аналогичные выкладки в общем случае трехмерной деформации, имеем девять соотношений

Этот тензор полностью определяет деформированное состояние твердого тела. Он обладает теми же свойствами, что и тензор напряжений. Свойство симметрии непосредственно следует из определения угловых деформаций. Главные значения и главные направления, а также экстремальные значения угловых деформаций и соответствующие им направления находятся теми же методами, что и для тензора напряжений.

Выделим вокруг некоторой точки К тела параллелепипед с рёбрами бесконечно малой длины. На гранях этого элементарного параллелепипеда в общем случае могут действовать нормальные и касательные напряжения. Совокупность напряжений на всевозможных площадках, проходящих через точку, называется напряженным состоянием материала в точке . Доказано, что можно так расположить в пространстве параллелепипед, что на его гранях останутся только нормальные напряжения. Такие грани называются главными площадками , а напряжения на них – главными напряжениями . Наибольшее главное напряжение обозначается σ 1 , наименьшее – σ 3 , а промежуточное – σ 2 , поэтому .

Различают три вида напряженного состояния: линейное, плоское и объёмное (рис. 3.1).

Рис.1. Виды напряженного состояния в точке: а – линейное; б – плоское; в – объемное

2. Плоское напряженное состояние

Рассмотрим более подробно плоское напряженное состояние. Выделим из тонкой пластинки толщиной t бесконечно малый элемент, по боковым граням которого действуют нормальные и касательные напряжения (рис. 2, а ). Принимаем, что напряжения по толщине пластинки распределены равномерно, поэтому конкретный размер t не влияет на дальнейший анализ. Будем смотреть на элемент с острия оси z , а напряжения на боковых гранях элемента считать положительными (рис. 2, б ).

Рис. 2. Плоское напряженное состояние

Согласно закону парности касательных напряжений , т. е. касательные напряжения на взаимно-перпендикулярных площадках рав­ны по величине и направлены так, что стремятся вращать элемент в противоположных направлениях.

Главные площадки (рис. 3) составляют угол a 0 с исходными площадками, величину которого определяют из выражения

Рис. 3. Главные площадки и главные напряжения

Главные напряжения, обозначаемые как и, вычисляют по формуле

Экстремальные касательные напряжения равны полуразности главных напряжений и действуют на площадках, наклоненных к главным площадкам под углом 45°

Деформации бесконечно малого элемента при плоском напряженном состоянии заключаются в изменении линейных размеров элемента и в изменении формы элемента. Если в общем случае на гранях элемента действуют нормальные и касательные напряжения, то в точке тела возникают относительные линейные деформации

и угловая деформация (относительный сдвиг ) в виде угла сдвига (рис. 4,б ).

Рис.4. Плоское напряженное состояние: а – напряжения; б – деформации

Между относительными линейными деформациями и напряжениями в точке упругого тела существуют зависимости в виде закона Гука:

Здесь – модуль продольной упругости (модуль упругости первого рода);– коэффициент Пуассона.

Частным случаем плоского напряженного состояния является такой, при котором на взаимно-перпендикулярных площадках действуют только касательные напряжения (рис. 5).

Такой случай называется чистым сдвигом , а исходные площадки называются площадками чистого сдвига. Главные площадки оказываются наклоненными к площадкам чистого сдвига под углом 45°, а главные напряжения численно равны касательным напряжениям, причем одно из главных напряжений – растягивающее, а другое – сжимающее. Согласно принятому правилу обозначения главных напряжений ;

Деформации бесконечно малого элемента при чистом сдвиге заключаются в искажении прямых углов на величину , которая называетсяуглом сдвига (рис. 4 и 5).

Между углом сдвига и касательными напряжениями существует пропорциональная зависимость, называемая законом Гука при чистом сдвиге

где коэффициент пропорциональности G – модуль сдвига (модуль упругости второго рода), измеряемый в тех же единицах, что и напряжения, МПа, кН/см 2 .

Три характеристики упругих свойств изотропного материала оказываются связанными между собой зависимостью, которую наиболее часто записывают в следующей форме: