Реферат Основы расчетов прочностной надежности элементов конструкций
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего
от 25%

Подписываем
договор
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНСТИТУТ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ЛИПЕЦКИЙ ФИЛИАЛ
Кафедра "СГ и ОПД
"
Специальность 140205.65 - "Электроэнергетические системы и сети"
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему "Основы расчетов прочностной надежности элементов конструкций"
по дисциплине "Техническая механика"
| Выполнил студент группы | | ЭЭз-08 |
| | (индекс группы) | |
| Таравков Сергей Васильевич | | |
(фамилия, имя, отчество) | | (подпись) | |
| Схема | | 21 |
| Вариант | | 6 |
| Проверил преподаватель | | |
| Халеев Вячеслав Иванович | | |
| (фамилия, имя, отчество) | | (подпись) |
Липецк
-
2010
Содержание
Введение..................................................................................................................... | 3 | ||
1. | Расчет прочностной надежности бруса при растяжении (сжатии)............... | 4 | |
1.1. | Построение эпюры продольных сил............................................................ | 5 | |
1.2. | Определение вида нагружения участков бруса........................................... | 5 | |
1.3. | Определение геометрических размеров поперечных сечений бруса........ | 6 | |
1.4. | Построение эпюры максимальных нормальных напряжений................... | 7 | |
1.5. | Построение эпюры нормальных напряжений по высоте поперечного сечения............................................................................................................. | 7 | |
1.6. | Определение деформаций бруса и построение эпюры абсолютных удлинений....................................................................................................... | 8 | |
2. | Расчёт прочностной надёжности вала круглого поперечного сечения при кручении.............................................................................................................. | 10 | |
2.1. | Построение эпюры крутящих моментов...................................................... | 11 | |
2.2. | Определение геометрических размеров поперечных сечений вала.......... | 12 | |
2.3. | Построение эпюры максимальных касательных напряжений................... | 13 | |
2.4. | Построение эпюры касательных напряжений по высоте поперечного сечения............................................................................................................. | 14 | |
2.5. | Построение эпюры относительных углов закручивания........................... | 14 | |
3. | Расчёт прочностной надёжности балки на двух опорах при изгибе............. | 16 | |
3.1. | Определение реакций в опорах балки.......................................................... | 17 | |
3.2. | Построение эпюры поперечных сил............................................................. | 18 | |
3.3. | Построение эпюры изгибающих моментов................................................. | 19 | |
3.4. | Определение размеров поперечного сечения балки................................... | 21 | |
3.5. | Построение эпюры нормальных напряжений в опасном сечении............ | 22 | |
3.6. | Определение прогиба балки в середине пролёта........................................ | 25 | |
Библиографический список...................................................................................... | 30 | ||
Введение
Настоящая курсовая работа имеет цель закрепление теоретических знаний, полученных в ходе лекционных и практических занятий.
Задачами курсовой работы являются изучение основных принципов инженерных расчетов типовых элементов конструкций на прочность и жесткость, включающих построение эпюр внутренних силовых факторов (продольных сил N при растяжении или сжатии бруса, крутящих моментов Т при кручении вала, поперечных сил Q и изгибающих моментов М при изгибе балки на двух опорах), определение геометрических размеров поперечных сечений элементов, исходя из условий прочности по нормальным или касательным напряжениям (в зависимости от вида нагружения) и условия жесткости, анализ напряженного и деформационного состояний.
Курсовая работа включает три этапа:
1) расчет бруса переменного поперечного сечения на прочность при растяжении (сжатии);
2) расчет вала переменного поперечного сечения на прочность и жесткость при кручении;
3) расчет балки на двух опорах на прочность и жесткость при изгибе.
Оформление курсовой работы выполнено с применением печатающих и графических устройств вывода персональных компьютеров согласно стандарту СТО МИКТ 26499161-001.
1.
Расчет прочностной надежности бруса при растяжении (сжатии)
Требуется решить следующие задачи:
- построить эпюру продольных сил N (в кН);
- определить вид деформации (растяжение или сжатие) на каждом участке бруса;
- определить геометрические размеры поперечных сечений стального бруса (диаметры d1, d2, D в мм) при заданном соотношении диаметров d1/D=0.6 и d2/D=0.8, исходя из условия прочности при растяжении (сжатии) по нормальным напряжениям (
- построить эпюру нормальных напряжений
(в МПа), возникающих в поперечных сечениях по длине бруса, и сделать вывод о выполнении условия прочности по нормальным напряжениям для рассматриваемого бруса;
- определить опасные сечения (или сечение) и построить эпюру нормальных напряжений σ (в МПа) по высоте поперечного сечения;
- определить абсолютные удлинения ∆Li (в мм) участков бруса, абсолютное удлинение ∆L∑ бруса, относительные деформации (в процентах) участков бруса εi и относительную деформацию ε∑ бруса (принять E=2*105 МПа);
- построить эпюру абсолютных удлинений ∆L (в мм) по длине бруса.
Таблица | 1 |
Номер варианта | F1 | F2 | F3 | k1 | k2 | k3 |
кН | мм | |||||
6 | 600 | 700 | 100 | 350 | 250 | 400 |
|
Схема | 21 |
|
1.1. Построение эпюры продольных сил
1.1.1 Разбиваем брус на участки (I, II, III), (см. рисунок 3). Границами участков являются переходные по размерам поперечные сечения бруса и сечения, в которых приложена внешняя нагрузка (сосредоточенные силы F1, F2, F3).
1.1.2 Проводим базовую линию (N) (см. рис. 2).
1.1.3 Для каждого участка, начиная с противоположного от защемления конца бруса, принимаем метод сечений (РОЗУ).
Определяем ординаты эпюры N на участках бруса:
Проверка:
R
=700-100-600=0
1.1.4 По результатам расчетов строю эпюру N (см. рисунок 2).
1 кН = 103Н;
1 МПа = 106Па = 1 Н/мм2;
N
– продольная сила, Н;
F – действующая нагрузка, Н;
А – площадь поперечного сечения, мм2;
Е – модуль упругости материала, МПа;
σ – нормальное напряжение, МПа;
∆
l
– абсолютное удлинение, мм;
ε – относительное удлинение, %;
d
/
D – диаметр вала, мм.
1.2. Определение вида нагружения участков бруса
Вид нагружения участка бруса определяется по знаку величины продольной силы, возникающей в соответствующих поперечных сечениях.
NI
- участок сжат
NII – участок сжат
NIII – нет деформации
1.3. Определение геометрических размеров поперечных сечений бруса
Для расчета параметров поперечных сечений бруса использую условие прочности по нормальным напряжениям:
| (1) |
где
i – номер участка;
Так как величину
| (2) |
то величина площади A (в мм2) поперечного сечения должна удовлетворять следующему условию:
A ≥ N / [σ], | (3) |
A = | |
(4) |
AI = 0.09*π*D 2 ≥ NI / [σ]
AII = 0.16*π*D2 ≥ NII / [σ]
AIII = 0.09*π*D2 ≥ NIII / [σ]
Определяем диаметр вала из расчета на прочность на участках:
DI ≥
DII ≥
DIII ≥
Решением системы является наибольший
DI ≥ 115,16 мм
R > 100 мм, ↔ DI ≥ 120 мм
d1/D = 0.6
d2/D = 0.8
Получив D, определяю d1
d1 = 0.6*D = 0.6*120 = 72 мм
Принимаем d1 = 72 мм
d2 = 0.8*D = 0.8*120 = 96 мм
Принимаем d2 = 96 мм
1.4. Построение эпюры максимальных нормальных напряжений
Рассчитаю значения
Самый нагруженный участок (I):
1.5. Построение эпюры нормальных напряжений по высоте поперечного сечения
На участке (I) (рис. 4) все сечения опасны.
Графическое представление изменения нормальных напряжений по высоте поперечного сечения бруса на рис. 1.
Рисунок 1 |
1.6. Определение деформаций бруса и построение эпюры абсолютных удлинений
Абсолютные удлинения (8) определяются из формулы закона Гука (5):
| (5) |
| |
| |
|
Абсолютное удлинение ∆l∑ бруса определяю (9):
∆l∑ = ∆lI + ∆lII + ∆lIII | |
∆l∑=(-0.2947)+(-0.1208)+0=-0.4155 мм
Брус сжался на 0,
4155
мм.
Рассчитаю относительные деформации εi (в процентах) участков бруса:
|
Перемещение текущего поперечного сечения на участке бруса в результате деформации равно:
| (6) |
Z – координата положения текущего поперечного сечения на участке бруса;
0 ≤ Z ≤ l0,i
∆lIII + ∆lII = 0+(-0.1208)=-0.1208 мм
∆lII + ∆lI = (-0,1208)+(-0,2947)=-0,4155 мм
Так как уравнение (7) описывает линейную функцию изменения ∆li ,то для построения эпюры ∆l на участке бруса достаточно двух граничных значений: при z=0 ∆l=0; при z=li ∆
l=∆li.
Вычерчиваю эпюру ∆l (в мм) без масштаба под эпюрой σ (рис.2), начиная для первого от защемления участка бруса (в защемлении ∆l=0).
Схема | 21 | - | эпюры N , σ , ∆ l |
Рисунок 2
2. Расчёт прочностной надёжности вала круглого поперечного сечения при кручении
На рис. 3 приведена расчётная схема вала круглого поперечного сечения (диаметры вала выражены через параметр d), к которому приложены внешние вращающие моменты Т1, Т2, Т3, Т4. Длины участков бруса равны К1, К2, К3, К4.
В табл. 3 приведены исходные данные для расчёта.
Таблица 3
Исходные данные для расчёта вала круглого поперечного сечения при кручении
Т1 | Т2 | Т3 | К1 | К2 | К3 | К4 |
кН·м | мм | |||||
0,6 | 0,7 | 1,3 | 350 | 250 | 400 | 300 |
Величину Т4 (в табл. 3 не указана) определить исходя из условия равновесия вала (сумма всех четырех моментов равна нулю). При этом, если указанное на рис. 3 направление момента Т4 не совпадает с расчетным (значение Т4<0), необходимо изменить его направление на противоположенное.
Требуется решить следующие задачи:
- построить эпюру крутящих моментов Т (в кН·м);
- определить диаметры поперечных сечений стального вала (в мм) при заданном соотношении диаметров исходя из условия прочности при кручении по касательным напряжениям (
- построить эпюру касательных напряжений
- определить опасные сечения (или сечение) и построить эпюру касательных напряжений в опасном сечении
- определить углы закручивания
- построить эпюру углов
2.1. Построение эпюры крутящих моментов
Крутящим моментом Т называют внутренний силовой фактор, возникающий в поперечных сечениях вала при кручении под действием заданной нагрузки (вращающих моментов).
Правило определения величины крутящего момента в сечении заключается в следующем. Крутящий момент в сечении вала равен сумме всех вращающих (внешних) моментов для рассматриваемой его части. При этом направление и знак величины вращающего момента определяют со стороны отброшенной части: вращающие моменты, направленные против хода часовой стрелки, принимаются положительными, а вращающие моменты, направленные по часовой стрелке – отрицательными. Согласно данному правилу составляем уравнения для расчета величины крутящих моментов на каждом участке вала.
ТI =Т1 = 0,6 кН·м;
ТII = Т1 = 0,6 кН·м;
ТIII = Т1 + Т2 = 1,3 кН·м;
ТIV = Т1 + Т2 – Т3 = 0 кН·м;
-Т1 – Т2 + Т3 + Т4 = 0 кН·м,
Т4 = Т1 + Т2– Т3 = 0,8 кН·м.
2.2. Определение геометрических размеров поперечных сечений вала
Для расчета параметров поперечных сечений используем условие прочности по касательным напряжениям:
где
Так как величину
то величина полярного момента сопротивления
где Т – крутящий момент в сечении.
По условию (9) определяем неизвестные размеры поперечного сечения вала, решая его как систему неравенств при заданных соотношениях между диаметрами (см. рис. 3)
Расчётные значения диаметров вала (в мм) округляем до стандартных согласно условию (7): d ≥
Тогда 0,5d =
2.3. Построение эпюры максимальных касательных напряжений
Эпюра максимальных касательных напряжений
Построим эпюру максимальных касательных напряжений (рис. 3).
2.4. Построение эпюры касательных напряжений по высоте поперечного сечения
Эпюра
Рис. 4. Эпюра касательных напряжений по высоте поперечного сечения
2.5. Построение эпюры относительных углов закручивания
Эпюра относительных углов закручивания
Угол закручивания
где
Так как уравнение (10) описывает линейную функцию изменения
Таким образом, для первого от крайнего правого торцевого сечения вала откладывают на соответствующих границах участка по ординате
Построим эпюру относительных углов закручивания (рис. 3).
3. Расчёт прочностной надёжности балки на двух опорах при изгибе
На рис. 5 приведена расчётная схема балки на двух опорах постоянного поперечного сечения, к которой приложена система внешних сил и моментов: сосредоточенная сила (силы) F, распределённая нагрузка с интенсивностью q и сосредоточенный изгибающий момент (моменты) М. Длины участков балки равны К1, К2, К3.
В табл. 3 приведены исходные данные для расчётов.
Таблица 3
Исходные данные для расчёта вала круглого поперечного сечения при кручении
q | F | М0 | К1 | К2 | К3 |
кН/м | кН | кН·м | м | ||
-50 | 70 | 80 | 3 | 1 | 1 |
Требуется решить следующие задачи:
- определить реакции в опорах балки;
- построить эпюру поперечных сил Q (в кН);
- построить эпюру изгибающих моментов М (в МПа);
- определить опасное сечение (или сечения) по длине балки;
- определить размеры (в мм) поперечного сечения стальной балки для следующих профилей поперечного сечения: двутавр, круг, прямоугольник (с заданным соотношением сторон h/b=2) и кольцо (с заданным соотношением диаметров d/D=0,9), исходя из условия прочности при изгибе по нормальным напряжениям;
- построить эпюры нормальных напряжений
- сделать вывод о рациональности применения каждого профиля по критерию минимума массы балки;
- определить прогиб (в мм) двутавровой балки в середине пролёта двумя способами (с помощью интеграла Мора и с помощью правила «дирижёра») и сделать заключение о выполнении условия жёсткости при изгибе для рассматриваемой балки.
3.1. Определение реакций в опорах балки
Определение реакций в опорах балки является первым этапом выполнения данного задания. Для этого составим расчетную схему балки. Расчетная схема балки вычерчивается без масштаба по ширине листа (см. рис. 5). далее обозначаем опоры (левая опора А, а правая опора В) и прикладываем неизвестные по величине и направлению реактивные силы Rа и Rв к балке в опорных сечениях в произвольном направлении параллельно оси у.
Составляем уравнения равновесия балки
3.2. Построение эпюры поперечных сил
Эпюра поперечных сил Q является графическим представлением изменения внутренних сил по длине балки и вычерчивается под расчетной схемой балки.
Правило определения величины поперечной силы в сечении заключается в следующем. Поперечная сила в сечении балки равна сумме проекций на сечение всех внешних сил (в том числе и реакций) для рассматриваемой части балки. При этом внешние силы, вращающие рассматриваемую часть (левую или правую) относительно сечения по ходу часовой стрелки, считаются положительными, а вращающие против часовой стрелки – отрицательными. Согласно данному правилу составляем уравнения для расчета изменения величины Q на каждом участке балки.
По уравнениям рассчитываем граничные для каждого участка балки значения Q, откладываем эти значения с учетом знаков в соответствующих сечениях без масштаба и строим эпюру по длине балки (рис. 5)
3.3. Построение эпюры изгибающих моментов
Эпюра изгибающих моментов М является графическим представлением изменения внутренних моментов по длине балки и вычерчивается под эпюрой поперечных сил Q.
Правило определения величины изгибающего момента в сечении заключается в следующем. Изгибающий момент в сечении балки равен сумме моментов всех внешних сил (в том числе и опорных реакций) относительно сечения для рассматриваемой части балки. При этом для рассматриваемой левой части балки момент считается положительным, если он направлен по ходу часовой стрелки относительно сечения. Для рассматриваемой правой части балки момент считается положительным, если он направлен против хода часовой стрелки относительно сечения, иначе – моменты считаются отрицательными. Согласно данному правилу составляем уравнения для расчета изменения величины М на каждом участке балки.
По уравнениям рассчитываем граничные для каждого участка балки значения М, откладываем эти значения с учетом знаков в соответствующих сечениях без масштаба и строим эпюру по длине балки (рис. 5)
3.4. Определение размеров поперечного сечения балки
Для расчёта параметров поперечных сечений балки используем условие прочности по нормальным напряжениям (1).
При этом величину нормальных напряжений
где М – изгибающий момент в сечении;
тогда величина момента сопротивления сечения
Из условия (12) следует, что максимальное значение
- для двутавра:
N = 55; Wx = 2035·103 мм3; А = 11800 мм2; Jx = 55962·104 мм4.
Определение размеров прямоугольного, круглого и кольцевого сечения выполняем расчётным путем с учётом заданных в п. 3 соотношений.
Формулы для расчёта момента сопротивления сечений имеют вид:
- для прямоугольного сечения
- для круглого сечения
- для кольцевого сечения
3.5. Построение эпюры нормальных напряжений в опасном сечении
Эпюра
Построение эпюры нормального напряжения в опасном сечении для двутавра рис. 6.
Рис. 6. Эпюра нормального напряжения в опасном сечении для двутавра
Построение эпюры нормального напряжения в опасном сечении для прямоугольника рис. 7.
Рис. 7. Эпюра нормального напряжения в опасном сечении для прямоугольника
Построение эпюры нормального напряжения в опасном сечении для круга рис. 8.
Рис. 8. Эпюра нормального напряжения в опасном сечении для круга
Построение эпюры нормального напряжения в опасном сечении для кольца рис. 9.
Рис. 9. Эпюра нормального напряжения в опасном сечении для кольца
Далее проводим выбор рациональных профилей поперечного сечения балки по критерию минимума веса балки. Для этого последовательно рассчитываем соотношения площадей прямоугольного, круглого и кольцевого поперечных сечений к площади двутаврового сечения:
В результате анализа делаем заключение, что выгоднее использовать двутавр, затем кольцо, прямоугольник и круг.
3.6. Определение прогиба балки в середине пролёта
Пролётом называют расстояние между опорами балки. Для определения прогиба балки в середине пролёта необходимо выполнить следующее.
Под эпюрой изгибающих моментов М заново начертим балку без нагрузки (рис. 5). При этом данную балку называют вспомогательной. Далее приложим единичную силу (безразмерную) в середине пролёта в направлении, перпендикулярном продольной оси балки (вверх или вниз). Определить реакции
Определим сумму интегралов Мора
где Е – модуль упругости материала балки;
I участок
II участок
III участок
IV участок
После расчёта суммы (13) определим прогиб (в мм) балки в середине пролёта. Если
Второй способ («правило дирижёра») определения прогиба балки в заданном сечении заключается в следующем.
Каждый интеграл суммы (13) рассчитывают по уравнению (14):
где q – интенсивность распределённой нагрузки на участке пролёта (см. схему балки); l – длина участка; h – значение ординаты
I участок.
II участок.
III участок.
IV участок
Рассчитаем сумму интегралов и определим прогиб f
Условие жёсткости балки для рассматриваемой задачи имеет вид
где f – расчётное значение прогиба (в мм) балки;
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СТО МИКТ 26499161-001-2006. Стандарт организации. Оформление выпускных квалификационных работ, курсовых работ и проектов, рефератов, отчетов и контрольных заданий, Воронеж, 2006, 65 с.
2. Сапрыкин, В.Н. Техническая механика: серия "Учебники, учебные пособия" / В.Н. Сапрыкин – Ростов н / Д: Феникс; Харьков: Торсинг, 2003, 560 с.
3. Олофинская, В.П. Техническая механика: курс лекций с вариантами практических тестовых заданий. Учебное пособие / В.П. Олофинская – М.: Форум: ИНФРА-М, 2003, 349 с.