Что является основным объектом изучаемым в сопротивлении материалов

Сопромат или сопротивление материалов

Сопромат (сопротивление материалов) — инженерная дисциплина, которая является введением в науку о прочности, жесткости и устойчивости конструкций.

Сопромат — это важная дисциплина в высших технических учебных заведениях. Изучение этой дисциплины направлено на развитие творческих способностей будущих специалистов, на приобретение специальных навыков для предстоящей профессиональной деятельности. Перед началом любого строительства (зданий, сооружений, любых конструкций, машин) разрабатывается проект, выбираются материалы, рассчитываются габариты элементов, основные размеры. В сопромате учитываются величины и характеристики сил, которые будет воспринимать каждый элемент сооружения, условия эксплуатации. Это необходимо, чтобы создаваемая конструкция, раньше времени, не деформировалась и не разрушалась. Имея минимальные размеры отдельных деталей она должна быть достаточно надежной.

В этой статье поговорим более подробно о задачах, которые решает сопромат, о нагрузках и деформациях, изучаемых в рамках дисциплины. Рассказу об элементах конструкций, которые рассчитываются в сопротивлении материалов, зачем нужен этот предмет будущему инженеру, а также о курсах по сопромату, которые есть на сайте.

Основные задачи сопромата

Прикладная наука о сопротивлении материалов решает несколько задач.

Прочность

Конструкция (ее отдельные детали) считается прочной, если она способна противостоять воздействию внешних нагрузок, не разрушаясь. Вводится понятие запаса прочности — обеспечение целостности конструкции при нагрузках, превышающих расчетные.

Жесткость

Жесткость — способность конструкции, её элементов, материала, из которого они созданы, сопротивляться изменению первоначальных размеров и форм. Расчетами на жесткость определяются оптимальные размеры, формы и материал конструкций.

Устойчивость

Под устойчивостью в сопромате понимается способность конструкции, под воздействием приложенных сил, сохранять требуемое равновесие. Колонна (длинный стержень) может отвечать требованиям прочности, жесткости, но не выдерживать нагрузок вдоль оси и изогнуться — потеря устойчивости.

Для решения этих задач используется схема для расчетов (условное изображение конструкции). Создаваемые конструкции часто имеют сложные формы, для упрощения расчетов, она разбивается на отдельные элементы:

Главным элементом при расчетах в сопромате является брус (поперечное сечение мало по сравнению с его длиной). Брусья подразделяются на колонны, балки, стержни, в зависимости от их предназначения.

Нагрузки и деформации изучаемые в сопромате

Нарушение форм и размеров элементов конструкций происходит под воздействием внешних нагрузок:

Под действием этих сил конструктивные элементы подвергаются различным деформациям, изменяются их изначальные формы, заданные размеры. Различают несколько основных видов деформаций:

Растяжение и сжатие

Это самые простые и наиболее часто встречающиеся виды деформаций. Они возможны, когда силы, приложенные к брусу (к его концам) направлены вдоль оси, навстречу друг другу. В одном случае действующие силы стремятся уменьшить размер бруса, в другом — увеличить. Растяжению и сжатию подвергаются различные элементы конструкций:

Кручение

В сопротивлении материалов рассматривается данный вид нагружения, возникающий во взаимном повороте поперечных сечений стержня относительно друг друга. Деформация происходит под воздействием имеющихся пар сил, называемых моментами. Момент — это произведение силы на ее плечо. Плечом принято называть перпендикуляр, опущенный от оси вращения бруска к линии ее действия. Вращающиеся и работающие на кручение бруски получили наименование валов. Моменты работают в плоскости, находящейся под прямым углом к оси вала.

Моменты приложенных пар сил называются внешними (скручивающими). Они могут находиться в определенном сечении вала или быть распределенными на некотором участке. Пары сил обычно создают нагрузку в тех местах, где на вал насаживаются зубчатые колеса, шкивы, шестерни и т.д. Если вал уравновешен, сумма всех действующих на него моментов приравнивается к нулю.

Изгиб

Одним из самых популярных разделов в сопротивлении материалов считается рассмотрение деформаций при изгибе. У большинства специалистов когда-либо изучавших эту дисциплину, она ассоциируется с расчетом балок и построением эпюр по их результатам. В технических ВУЗах этому разделу уделяется большое внимание. Ему посвящается не менее шестой части содержания в каждом учебнике сопромата и этому есть объяснение.

Фактически все детали конструкций, одни больше, другие меньше, подвергаются воздействию сил, вызывающих данный тип деформации. Более того, знание процессов, имеющих место при прямом, по другому — поперечном изгибе, способствует лучшему усвоению протекающих процессов, происходящих при других более сложных видах деформаций (внецентренном сжатии или растяжении). При анализе этого вида деформации рассчитываются балки (горизонтальный брус) и рамы. В обоих случаях, по результатам расчетов, создаются графики, проверяется соответствие требуемой прочности, или в соответствии с заданной прочностью подбираются оптимальные размеры элементов конструкций.

В сопротивлении материалов это малая часть того, что требуется делать с различными конструкциями при их расчете. Это всего лишь начальный этап. Большое внимание, при деформации, уделяется перемещению поперечных сечений отдельных элементов. Их определение считается более сложным чем при других видах деформаций, так как кроме перемещения в вертикальной плоскости имеет место поворот на определенный угол.

Элементы конструкций

В курсе сопротивление материалов, все методики расчетов, основные законы рассматриваются на примере нескольких типов элементов, из которых формируются реальные конструкции. Глобально все элементы можно подразделить на следующие виды:

В инженерной практике и при решении задач по сопромату, чаще всего, приходится работать со стержнями или стержневыми системами.

В зависимости от деформации, которую испытывает стержень, рассчитываемому объекту можно присвоить свое название. Например, стержень, который работает на растяжение или сжатие, называют брусом. А стержень, который работает на изгиб – балкой. Некоторые типы стержневых систем, тоже имеют свои уникальные названия. Например, система, состоящая из стержней, которые жестко соединены между собой и преимущественно работают на изгиб, именуется как рама. В свою очередь, система у которой стержни соединены шарнирно и работают на растяжение (сжатие), принято называть фермами.

Зачем нужен сопромат?

Представление о сопротивлении материалов необходимо иметь любому человеку. Эти знания нужны даже при строительстве простого сарая, чтобы в нем кого-нибудь не придавило. В последнее время важность сопромата только возрастает, так как строятся все более крупные сооружения, высотные здания. Создаются новейшие конструкции самолетов, кораблей, машин. Подвижные детали узлов работают на все более высоких скоростях, при возрастающих мощностях, давлениях и температурах. При строительстве используются новые, мало изученные материалы, созданные с применением новых технологий.

Сложные по началу задачи дисциплины становятся привычными при систематическом решении задач, проведении занятий на практике. На место страха перед сложной дисциплиной приходит опыт и уверенность в своих силах.

Современные расчеты

Давайте поговорим немного о современных методах расчета. Понятно, что в 21 веке, никто, вручную, рассчитывать инженерные сооружения, детали машин и т.д. уже не будет. Так как для этого есть достаточно быстрые и мощные компьютеры. Задачей же инженера является – правильная постановка задачи ЭВМ. Кроме того, проектировщик должен уметь правильно считывать показания машины, анализировать полученные значения и принимать правильные решения при проектировании. Все эти навыки, молодому специалисту помогает развить такая дисциплина как сопротивление материалов.

Курсы по сопротивлению материалов

В этом блоке статьи поговорим о полезных уроках, которые размещены на нашем сайте проекта –SoproMats. Все материалы разбиты на два курса – для чайников и для продвинутых студентов.

Курс для чайников

В курс для чайников попадают все те материалы, которые рядовые студенты учат в первом семестре изучения сопромата. Кроме того, все статьи данного курса написаны максимально просто и доступно, чтобы любой желающий мог освоить азы сопротивления материалов. В рамках курса рассмотрены задачи на простейшие виды деформаций: растяжение и сжатие, кручение и изгиб. Изучив материалы курса, вы научитесь находить реакции опор (связей), строить эпюры, подбирать размеры сечений и проверять прочность элементов конструкций.

Курс для продвинутых

В курс для продвинутых войдут соответственно те темы, которые изучаются студентами машиностроительных и строительных специальностей во втором семестре изучения сопромата. А именно:

Все статьи подбираются с учетом обращений студентов к поисковым системам. Перед написанием статьи я всегда анализирую частотность тех или иных ключевых запросов, и пишу статью только если вижу, что это будут читать, это будет полезно. Поэтому статей на узкие и специфичные темы на сайте не появится.

Источник

Тема 2.1 Основные понятия и допущения

Элементы сооружений отличаются друг от друга формами, размерами, материалом, функциональным назначением, рядом специальных требований. При этом следует отметить, что все без исключения элементы как искусственного, так и естественного происхождения обладают такими свойствами, как прочность и жесткость, то есть способностью, не разрушаясь воспринимать различные нагрузки и сопротивляться изменению своих первоначальных форм и размеров, без чего не может нормально функционировать сооружение. Цель расчетов в сопротивлении материалов – создание прочных, устойчивых, обладающих достаточной жесткостью, долговечностью и вместе с тем экономичных элементов сооружений

Например, конструкции стропильной фермы, междуэтажных перекрытий зданий должны выдерживать нагрузки от атмосферных воздействий, оборудования и людей и обладать достаточной жесткостью, обеспечивающей ограничение прогибов для создания нормальных условий функционирования сооружения.

Рис. 1. Характер деформирования и разрушения стержня под нагрузкой:

а) – элемент до нагружения; б) – деформация стержня при изгибе; в) – вид излома элемента при изгибе; г) – изгиб стержня при сжатии

Прочностные и жесткостные качества элементов сооружений зависят от многих факторов: материала, размеров, характера возникающих деформаций и др. Металлические конструкции обладают большей прочностью и жесткостью, чем аналогичные деревянные конструкции. Стержень из одного и того же материала, имеющий большие поперечные размеры, более прочный и жесткий, при этом его легче разрушить, изгибая, чем растягивая. Тонкий стержень при его сжатии разрушается в результате выпучивания в поперечном направлении, в то же время это явление отсутствует при продольном растяжении и для разрушения стержня требуется значительно большая нагрузка.

Например, возьмем деревянный брусок (рис.1, а). Начнем сгибать стержень. Чем сильнее мы будем прикладывать усилия, тем больше он изогнется (рис.1 б), и при какой то величине усилий сломается (рис.1, в). Подведя итог можно утверждать, что всякое реальное тело под воздействием сил меняет свою форму и размеры, т. е. деформируется. Деформации обуславливают появление внутри элемента сил сопротивления. Если внешние силы больше сил сопротивления, происходит разрушение элемента сооружения.

При возрастании нагрузки выше определенных значений в теле наряду с упругими будут возникать деформации не исчезающие после снятия нагрузки. Такие деформации называются остаточными. Возникновение остаточных деформаций, наравне с разрушением связано с нарушением нормальной работы конструкции и, как правило, недопустимо.

Способность конструкции воспринимать заданную нагрузку, не разрушаясь и без остаточных деформаций, называют прочностью.

Все элементы сооружения, из каких бы материалов они ни были изготовлены, под нагрузкой деформируются. Однако значительные деформации могут мешать нормальной эксплуатации сооружения.

Способность сооружений и ее частей под нагрузкой сохранять свои размеры и форму в установленных нормами пределах называется жесткостью.

Рассмотрим еще один пример. Будем сжимать тонкий и длинный стержень (тот же деревянный брусок). Уже при незначительной силе стержень изогнется, как показано на рис.1, г. В этом случае первоначальная форма прямолинейная форма равновесия стержня становится неустойчивой.

Способность конструкции, и ее частей, сохранять под нагрузкой первоначальную форму упругого равновесия называется устойчивостью. Обычно потеря устойчивости сопровождается мгновенным изменением формы элемента и разрушением конструкции.

Методами сопротивления материалов выполняются расчеты, на основании кото­рых определяются необходимые размеры деталей машин и конструкций инженерных сооружений. Любая конструкция должна обладать надежностью при эксплуатации и быть экономичной.

Надежность – свойство конструкции выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в определенных нормативных пределах в течение требуемого промежутка времени.

В сопротивлении материалов широко применяются методы теоретической механики и математического анализа, используются данные из разделов физики, изучающих свойства различных материалов, материаловедения и других наук. К тому же сопротивление материалов является наукой экспериментально-теоретической, так как она широко использует опытные данные и теоретические исследования.

ЗАДАНИЕ:

Что изучает раздел «Сопротивление материалов»?

Выписать определения: прочность, жесткость, устойчивость, надежность и экономичность.

§2. Реальный объект и расчетная схема

При выборе расчетной схемы вводятся упрощения (схематизация) реального объекта, т.е. отбросить все те факторы, которые не могут сколько-нибудь заметным образом повлиять на работу системы в целом.

Такого рода упрощения задачи совершенно необходимы, так как решение с полным учетом всех свойств реального объекта является принципиально невозможным в силу их очевидной неисчерпаемости.

Основным упрощающим приемом в сопротивлении материалов является приведение геометрической формы тела к схемам бруса (стержня), оболочки или пластины. Как известно, любое тело в пространстве характеризуется тремя измерениями.

Рис. 2. Прямой брус (стержень) постоянного сечения

ЗАДАНИЕ:

У казать чем отличается расчетная схема от реального объекта.

Начертить стержень, изобразив его ось и поперечное сечение, записать определение стержня.

§3. Связи и опорные устройства

Для соединения отдельных частей конструкции между собой и передачи внешней нагрузки на основание на нее накладываются связи , ограничивающие перемещения тех точек сооружения, к которым они приложены. Связи могут ограничивать либо повороты точек сооружения, либо их линейные смещения, либо и то и другое.

Основным видом связей в расчетной схеме является шарнирная связь.

Все опорные связи условно делятся на три основных типа:

— Подвижная шарнирная опора (рис.3, а). Такая опора не препятствует вращению конца бруса и его перемещению вдоль плоскости качения. В ней может возникать только одна реакция, которая перпендикулярна плоскости качения и проходит через ось катка (R).

— Жесткая заделка или защемление (рис.3, в). Такое закрепление не допускает ни линейных, ни угловых перемещений опорного сечения. В этой опоре в общем случае может возникать реакция, которую обычно раскладывают на две составляющие (H и R) и момент защемления (М).

При рассмотрении реального объекта в число внешних сил включаются не только заданные нагрузки, но и реакции связей (опор), дополняющие систему сил до равновесного состояния.

§4. Внешние и внутренние силы. Метод сечений

Поверхностные силы приложены к участкам поверхности и являются результатом непосредственного контактного взаимодействия рас­сматриваемого объекта с окружающими телами (давление ветра, воды на стенку).

В зависимости от соотношения площади приложения нагрузки и общей площади поверхности рассматриваемого тела, поверхностные нагрузки подразделяются на сосредоточенные и распределенные.

Динамические нагрузки также подразделяются на периодические и случайные нагрузки. К случайным нагрузкам относятся нагрузки, действующие на детали автомобилей, тракторов, станков, а также нагрузки, действующие на сооружения (дома, мачты, краны и т.п.) от давления ветра, снега и т.п.

Временная нагрузка может сохранять более или менее постоянную величину в течение всего периода ее действия, а может непрерывно изменяться по некоторому закону; в последнем случае она называется переменной нагрузкой.

По отношению к выбранному материальному телу (элементу конструкции) все действующие силы подразделяются на внешние и внутренние силы. Под внешними силами (нагрузками) понимаются силы взаимодействия данного материального тела со всеми другими окружающими его телами.

Взаимодействие между частями рассматриваемого тела характеризуется внутренними силами , которые возникают внутри тела под действием внешних нагрузок и определяются силами межмолекулярного воздействия. Эти силы сопротивляются стремлению внешних сил разрушить элемент конструкции, изменить его форму, отделить одну часть от другой. Вообще внутренние силы возникают между всеми смежными частицами тела при нагружении.

ЗАДАНИЕ:

Составить таблицу «Виды нагрузок», в таблице дать характеристику каждому виду нагрузки.

Рис.4. Внутренние силовые факторы, возникающие при действии нагрузки

В зависимости от вида внутренних силовых факторов, возникающих в сечении, различают различные следующие виды нагружения бруса:

— Растяжение или сжатие. Действует только продольная сила N.

— Кручение. Действует только крутящий момент T.

— Сдвиг. Действует только поперечная сила Q x или Q y

— Изгиб. Действует только изгибающий момент M x или M y (чистый изгиб), при действии изгибающего момента и поперечной силы (поперечный изгиб).

— Сложное сопротивление. Одновременное действие нескольких силовых факторов. Например, M x и T, M и N.

Итак, внутренние усилия в сечении есть функции параметров, определяющих положение сечения в теле, и нагрузок по одну сторону от сечения. Эти функции могут быть представлены аналитически или графически. График, показывающий изменение внутреннего усилия в зависимости от положения сечения, называется эпюрой . Ординаты усилий в определенном масштабе откладывают от линии, соответствующей оси бруса.

ЗАДАНИЕ:

Начертить внутренние силовые факторы стержня(рис. 4), дать пояснение каждому символу на этой схеме и указать вид нагружения при котором возникают N , Q y и Q z , Т , M z и М у .

§5. Допущения, применяемые в сопротивлении материалов

Для построения теории сопротивления материалов принимают некоторые понятия и допущения относительно структуры и свойств материалов, а также о характере деформаций. Приведем основные из них.

1. В сопротивлении материалов принято рассматривать все материалы как однородную сплошную среду, независимо от их микроструктуры. Под однородностью материала понимают независимость его свойств от величины выделенного из тела объема. И хотя в действительности реальный материал, как правило, неоднороден (уже в силу его молекулярного строения), тем не менее, указанная особенность не является существенной, поскольку в сопротивлении материалов рассматриваются конструкции, размеры которых существенно превышают не только межатомные расстояния, но и размеры кристаллических зерен.

Металлы и сплавы, как правило, изотропны, так как большинство металлов имеет мелкозернистую структуру. Благодаря большому количеству кристаллов свойства материалов выравниваются в различных направлениях и можно считать эти материалы практически изотропными. В настоящее время широкое распространение получили анизотропные композиционные материалы, состоящие из двух компонентов – наполнителя и связующего. Наполнитель состоит из уложенных в определенном порядке высокопрочных нитей – матрицы, что и определяет значительную анизотропию композита. Композиционные материалы имеют высокую прочность при значительно меньшем, чем металлы весе.

Результат воздействия на тело системы сил равен сумме результатов воздействия тех же сил, прилагаемых к телу последовательно и в любом порядке (рис. 6). Под словами «результат воздействия» следует понимать – деформации, внутренние силы и перемещения отдельных точек.

Источник

Техническая механика

Сопротивление материалов

Наука о сопротивлении материалов

Наука о сопротивлении материалов возникла в эпоху Возрождения, когда развитие техники, строительства, торговли, мореплавания и военного дела потребовало научных обоснований, необходимых для постройки крупных объектов и сооружений, морских судов и других сложных конструкций.
Основоположником этой науки считают итальянского ученого Г. Галилея (1564-1642 гг.)

Как показывает практика, все части конструкций под действием нагрузок деформируются, т. е. изменяют свою форму и размеры, а в некоторых случаях происходит разрушение конструкций.

Сопротивление материалов есть наука о прочности и деформируемости материалов и элементов машин и сооружений.
Применяя способы и методы этой науки можно производить с достаточной степенью погрешности расчеты конструкций машин и объектов на прочность, жесткость и устойчивость.

Прочностью называется способность материала конструкций и их элементов сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Расчеты на прочность дают возможность определить размеры и форму деталей конструкций, способные выдержать заданную нагрузку при наименьших затратах материалов.

Жесткость – способность тел или конструкций противостоять образованию деформаций.
Расчеты на жесткость позволяют определить размеры, материал и форму конструкций, при которых возникающие в результате нагрузок деформации не превысят допустимых величин и норм.

Под устойчивостью понимают способность конструкции сопротивляться усилиям, стремящимся вывести ее из исходного состояния равновесия.
Расчеты на устойчивость позволяют предотвратить внезапную потерю устойчивости конструкции и искривления ее элементов в результате приложения внешней нагрузки. Примером потери устойчивости может служить внезапное искривление длинного прямолинейного стержня при сильном сжатии его вдоль оси.

Плоское сечение, перпендикулярное оси прямолинейного бруса называют поперечным, сечение, параллельное оси прямолинейного бруса – продольным, остальные виды плоских сечений называют наклонными.

При деформации тела под действием внешних силовых факторов внутри него возникают силы упругости, которые препятствуют деформации и стремятся вернуть частицы тела в исходное положение. Появление сил упругости обусловлено существованием в теле внутренних сил молекулярного взаимодействия.
В сопротивлении материалов изучают деформации тел и возникающие при этих деформациях внутренние силовые факторы.

Материалы раздела «Сопротивление материалов»:

Методические рекомендации и контрольные задания для студентов заочных отделений технических и машиностроительных специальностей:

Примечание: Документы размещены в формате Word, и могут быть сохранены на компьютере или распечатаны на принтере.

Источник