Teorią belek jest modelu stosuje się w dziedzinie wytrzymałości materiałów . Używamy dwóch modeli:
Termin „belka” oznacza przedmiot, którego długość jest duża w porównaniu z wymiarami poprzecznymi (cienki przekrój). Ściśle mówiąc , belka jest elementem konstrukcyjnym używanym do budowy budynków , statków i innych pojazdów oraz do produkcji maszyn. Jednak model belki może być używany do wielu różnych części, o ile spełniają one określone warunki.
Autorstwo teorii belki przypisuje się Galileuszowi , ale ostatnie badania wskazują, że Leonardo da Vinci byłby przed nim. Ten ostatni zakładał, że odkształcenie zmienia się liniowo od neutralnej powierzchni, a współczynnik proporcjonalności jest krzywizną, ale nie mógł dokończyć swoich obliczeń, ponieważ nie wyobrażał sobie prawa Hooke'a . Ze swojej strony Galileo wyszedł z błędnego założenia (przypuszczał, że naprężenie rozkłada się równomiernie podczas zginania) i to Antoine Parent uzyskał prawidłowy rozkład.
To Leonhard Euler i Jacques Bernoulli wydali pierwszą użyteczną teorię około 1750 roku, podczas gdy Daniel Bernoulli , bratanek poprzedniej, napisał równanie różniczkowe do analizy wibracyjnej. W tym czasie inżynieria mechaniczna nie była uważana za naukę, a praca akademii matematycznej nie miała praktycznego zastosowania, a budowa mostów i budynków kontynuowana była empirycznie. Dopiero w XIX -tego wieku , z wieży Eiffla i duże koła , które wykazały słuszność teorii skalę.
Aby zbadać belki, należy umieścić w relacji:
Model belki umożliwia przekazanie sił kohezji na tensor naprężeń; pozwala na zastosowanie zasady równoważności.
Nazywamy „belkę” bryłą utworzoną przez skończone powierzchnie, zwane „prostymi odcinkami”, takimi jak:
Jeśli promień krzywizny jest mały lub przekrój zmienia się nagle, należy wziąć pod uwagę koncentrację naprężeń .
W najprostszych przypadkach, w szczególności belek w znaczeniu „elementu konstrukcyjnego” (żelazo, rura itp. ), Średnia krzywa jest prosta, a proste odcinki są identyczne.
Ale możemy modelować inne typy części. Na przykład, wał napędowy An osi , A dźwigni , rury, zbiornik, lub nawet kadłub z statku może być modelowany za pomocą wiązki; sprężyna śrubowa ( zwój sprężyny) może być traktowane jako promień, którego średnia krzywa śrubowej i którego odcinki proste są dyskami o tym samym promieniu.
Nazywamy „włókno” objętością generowaną przez małą część d²S przekroju poprzecznego przebiegającą po krzywej równoległej do krzywej średniej. Włókno generowane przez samą krzywą średnią nazywane jest „włóknem neutralnym”.
Dla uproszczenia, o ile nie wskazano inaczej, narysujemy belki, których średnia krzywizna jest linią prostą przed odkształceniem.
Wreszcie etap modelowania składa się z:
Teoria belek jest zastosowaniem teorii sprężystości izotropowej. Przy wykonywaniu obliczeń wytrzymałości materiałów brane są pod uwagę następujące założenia:
Hipoteza Bernoulliego pozwala pominąć ścinanie w przypadku zginania: ryzyko zerwania jest wtedy spowodowane rozciąganiem włókien znajdujących się poza zginaniem, a ugięcie spowodowane jest momentem zginającym. Założenie to nie obowiązuje dla belek krótkich, ponieważ te ostatnie są poza granicami ważności modelu belki, a mianowicie, że wymiary przekrojów muszą być małe w porównaniu z długością łuku średniego. Ścinanie jest uwzględnione w modelu Timoshenko i Mindlin .
Celem jest określenie dla każdego punktu:
W tym celu definiuje się siły kohezji lub siły wewnętrzne w każdym punkcie średniej krzywej w postaci torsora działania zwanego „ kohezyjnym torsorem ” lub „wewnętrznym torsorem sił”. Jeśli cięcie jest wykonywane wzdłuż prostego odcinka ( zasada cięcia ), siły kohezji są siłami wywieranymi przez jeden z odcinków na drugi. Mamy zatem dwie konwencje:
Jeśli wybierzemy układ współrzędnych tak, że x jest styczna do średniej krzywej na poziomie odcięcia, to torsor spójności uzyskuje się, pisząc podstawową zasadę statyki na rozpatrywanym odcinku i zapisuje się w sposób ogólny:
lubW dwóch wymiarach uproszczenie polega na uwzględnieniu, że tylko siła ścinająca, siła rozciągająca i moment zginający są przenoszone z sekcji na sekcję, zgodnie z zasadą cięcia . Ogólnie rzecz biorąc, umieszcza się się na płaszczyźnie (G xy ), w ten sposób staje się torsorem spójności.
Wykresy sił wewnętrznychNaprężenie belki można w prosty sposób przedstawić, wykreślając wykres sił przenoszonych z sekcji na sekcję zgodnie z położeniem wzdłuż belki, to znaczy, że reprezentujemy N ( x ), T y ( x ), T z ( x ), M t ( x ), M f y ( x ) i / lub M f z ( x ). Ten diagram jest czasami błędnie nazywany diagramem naprężeń.
Przedstawiamy je jako funkcje wzdłuż osi , rysując linie.
Siły kohezji to wielkości makroskopowe, zdefiniowane na całym przekroju. Ze względu na liniowość problemu (pozostajemy w małych odkształceniach), można niezależnie rozpatrywać każdy komponent, tj. Brać pod uwagę, że wiązka jest każdorazowo poddawana tylko jednemu prostemu żądaniu.
Zasada równoważności ustanawia związek między każdym wysiłkiem na rzecz spójności a ograniczeniami generowanymi lokalnie w każdym punkcie sekcji. W przypadku naprężeń złożonych sumujemy naprężenia wszystkich naprężeń prostych (zasada superpozycji).
Zgodnie z zasadą Saint-Venanta siły są prawidłowo przedstawiane, gdy odchodzi się od punktu przyłożenia. Tak więc, jeśli lokalnie modelowanie to nie daje dobrych wyników, można je uznać za prawie prawidłowe, gdy tylko odległość od miejsca zastosowania przekroczy kilkakrotnie średnicę przekroju. Zasada ta dotyczy tylko belek masywnych, w większości pozostałych przypadków jest fałszywa. W tym sensie „masywna belka” powinna być rozumiana, kiedy wspomina się tutaj o pojęciu belki.
Następnie wielkość S oznacza pole przekroju poprzecznego.
Prosta przyczepnośćNormalna siła N odpowiada prostej trakcji , więc mamy równomierne naprężenie
. ŚcinanieSiły ścinające T y i T z powodują ścinanie, ale należy rozróżnić dwa przypadki: zwykłe ścinanie i proste zginanie. W obu przypadkach siły zewnętrzne są przykładane równolegle do przekroju, to znaczy prostopadle do krzywej średniej.
W przypadku prostego ścinania siły są przykładane do tej samej odciętej x . Poza prawymi punktami przyłożenia sił, ograniczenia są jednolite (zasada Barré de Saint-Venant):
Jeśli wyodrębnimy mały sześcienny pierwiastek materii, zobaczymy, że cission, któremu podlega na prostych odcinkach, powinien spowodować jego rotację. Dlatego też ulega on pękaniu na ścianach prostopadłych do osi (G y ). Dlatego występuje również ścinanie między sąsiednimi włóknami. Możesz to zobaczyć, zginając talię kart: karty przesuwają się po sobie; belka może być postrzegana jako paczka ze sklejonymi kartami, siła przyczepności zapobiega zsuwaniu się kart.
W przypadku prostego zginania siły są przykładane do różnych odciętych. Ten stres generuje tylko niewielkie ryzyko pęknięcia i dlatego jest generalnie pomijany (model Bernoulliego). W tym przypadku rozkład naprężeń nie jest już jednolity (zasada Saint-Venanta nie jest już aktualna): naprężenie na swobodnej powierzchni jest koniecznie w płaszczyźnie powierzchni, dlatego rozstęp na powierzchniach zewnętrznych wynosi zero. Dlatego mamy cisję, która wzrasta, gdy zbliżamy się do neutralnego włókna. Maksymalny stres jest wtedy wart:
gdzie S jest obszarem odcinka prostego. Widzimy, że na tych przykładach naprężenie jest 1,5 do 2 razy większe niż w przypadku zwykłego ścinania.
Czyste zginanieMomenty zginające M f y i M f z odpowiadają zginaniu. Ze względu na hipotezę Bernoulliego (proste odcinki pozostają prostopadłe do średniej krzywej):
Stres zmienia się liniowo:
gdzie I G z jest kwadratowym momentem osi (G z ), obliczonym zgodnie z kształtem przekroju.
Ryzyko pęknięcia występuje na przedłużonej powierzchni belki. Jeśli nazwiemy V rzędną punktu znajdującego się na tej ścianie, to ograniczenie jest warte:
.Wielkość I G z / V nazywana jest „modułem sprężystości”.
Jeśli belka jest symetryczna i ma wysokość h , mamy
V = ± h / 2.Uwaga Ponieważ interesuje nas bezwzględna wartość ograniczenia, często znajdujemy wyrażenia i . SkręcenieBierzemy pod uwagę przypadek belki cylindrycznej (zazwyczaj wału napędowego) i małych odkształceń. Skręcanie powoduje naprężenie ścinające τ, które jest proporcjonalne do odległości r od osi:
lub:
Jeśli M t jest wyrażone w N mm , że I G jest w mm 4, a r jest w mm, to τ ( r ) jest w MPa. Maksymalne naprężenie ścinające wynosi
gdzie v jest zewnętrznym promieniem części. Wielkość (I G / v ) nazywana jest modułem skręcania i jest wyrażana do obliczeń w mm 3 .
Moment kwadratowy i moduł skręcania są ogólnie podane w tabeli, odpowiednio, w cm 4 i cm 3 .
Złożone prośbyRozbijając naprężenia złożone na proste naprężenia, można w dowolnym momencie wyznaczyć tensor naprężeń . Następnie konieczne jest określenie wysiłku porównawczego zgodnie z jednym z kryteriów Tresca lub von Mises .
Istnieją trzy typowe przypadki:
W tym drugim przypadku możemy sprowadzić się do przypadku prostego zginania, obliczając idealny moment zginający i idealny moment zginający (wzór Coulomba, wzór Rankine'a, wzór Saint Venanta).
W przypadku belki interesuje nas wyłącznie ostateczna postać włókna neutralnego. Równanie u ( x ) tej krzywej nazywa się „zdeformowanym”. Poniżej rozważymy, że początkowe włókno neutralne jest odcinkiem linii o długości l 0 .
W kompresji trakcjiNeutralne włókno pozostaje proste, a końcowa długość l jest określona przez całkowanie prawa Hooke'a :
, przy normalnym wysiłku. Przy zginaniu osi zIntuicyjnie, krzywizna γ w punkcie jest proporcjonalna do momentu zginającego M f i odwrotnie proporcjonalna do sztywności belki. Ta sztywność zależy od materiału, przez moduł Younga E i od profilu przekroju poprzecznego, przez moment kwadratowy I G z . Więc mamy :
.Ponadto przy małych odkształceniach można przyjąć, że
jest
.To równanie różniczkowe jest często odnotowywane
.Jeśli belka ma stały przekrój i jest z jednorodnego materiału, wówczas termin EI G z jest stałą, a odkształcenie uzyskuje się po prostu całkując dwukrotnie M f w porównaniu z x , biorąc pod uwagę warunki brzegowe .
Na przykład w przypadku belki o długości L na dwóch podporach z siłą F działającą w jej środku:
w pierwszej połowie (0 ≤ x ≤ L / 2) moment zginający jest więc wart . Zgodnie z symetrią, belka jest pozioma w środku (warunek graniczny), można albo a więc . W związku z tym . Przemieszczenie z podporami wynosi zero (warunek graniczny), to znaczy B = 0. Tak więc ma się . Kształt drugiej połowy jest symetryczny; opisuje go inny wielomian o podobnym kształcie. Ugięcie (maksymalne przemieszczenie) znajduje się w środku x = L / 2: . W skręcaniuRozważamy tutaj tylko przypadek belki cylindrycznej o długości L. Jeden koniec obraca się względem drugiego o kąt θ (w radianach). Możemy zatem zdefiniować jednostkowy kąt skręcenia α = θ / L (w rad / m) .
Intuicyjnie, ten kąt jednostki zależy od:
jest
.Tak więc, jeśli założymy, że przekrój na x = 0 pozostaje stały, przekrój na odciętej x nieokreślony obrócił się o
a szczególnie
.Często badanym przypadkiem jest hiperstatyczna belka zginana . W tym przypadku równania statyki nie są wystarczające do wyznaczenia sił w łożyskach. Stosowane są dwie metody rozdzielczości: