Расчетные схемы и виды нагрузок

Реальные части машин, механизмов, конструкций различных сооружений характеризуются, как правило, большой сложностью конструктивных форм: например, коленчатый вал двигателя, гребной вал судна или отсек корпуса судна.

Производить расчет конструкций с учетом всех их конструктивных особенностей было бы весьма сложно, а в некоторых случаях и вообще невозможно. Вместе с тем нет никакой необходимости учитывать все особенности конструкции, так как они часто оказывают несущественное влияние на ее работу. Потому при расчете реальной конструкции ее всегда заменяют идеализированной упрощенной схемой – так называемой расчетной схемой, выбор которой является первым и исключительно ответственным этапом расчета по обеспечению прочности, жесткости или устойчивости частей машин, механизмов или отдельных конструкций.

Составными элементами любой расчетной схемы являются:

а) идеализированный объект расчета;

б) нагрузки, действующие на этот объект;

в) опорные части объекта расчета.

Идеализированный объект расчета – это, зачастую, плоскостное изображение бруса, стержня или балки на рисунке в виде линий контура (для бруса) или оси стержня (балки), что показано на рис. 1.2. На расчетной схеме принимают оси координат с указанием их положительного направления: для бруса (рис. 1.2, а) с началом координат в опорном закреплении и положительном направлении оси х от него; для балки (рис 1.2, б) начало координат (точка О) принимают, зачастую, на опоре, горизонтальная ось х направлена по оси балки (геометрическое место точек центров тяжести её поперечных сечений), а положительное направление вертикальной оси у – вверх от начала координат.

Рисунок 1.2 – Примеры расчетных схем бруса (а) и балки (б)

 

(1.1)

Наиболее типичные нагрузки на брус, стержень (балку) могут быть в виде:

1) сосредоточенной силы Р, если реальная нагрузка приложена на небольшом участке, размеры которого малы по сравнению с длиной бруса или балки; размерность Р в системе единиц СИ может приниматься в кН (килоньютонах);

2) распределенной нагрузки интенсивности q, если она постоянна или переменна по длине ее приложения, представляет собой отношение равнодействующей нагрузок Ʃ Р, приходящихся на длину их приложения а, т.е.

единицей измерения q может быть кН/м или кН/см;

3) внешнего момента , единицей измерения которого может быть кН·м или кН·см.

Опорные части бруса или балки по концам в сопротивлении материалов принимаются в виде жесткой заделки (защемления), что обозначается на расчетной схеме или (см. рис. 1.2, а), а также в виде шарнирно-неподвижной или шарнирно-подвижной опоры (см. рис. 1.2, б).

По характеру действия внешние нагрузки могут быть:

а) поверхностными, как результат взаимодействия двух тел или тела со средой (например, действия груза на балку);

б) объемными, действующими в каждой точке тела (например, сила тяжести, электро-магнитные силы).

В свою очередь поверхностные силы могут быть сосредоточенными или распределенными, о чем говорилось выше (см. рис. 1.2).

Нагрузки различают не только по способу их приложения (сосредоточенные и распределенные), но и по длительности действия (постоянные и временные), а также по характеру приложения (статическая и динамическая).

Постоянные нагрузки (например, собственный вес конструкции) действуют на протяжении всего периода эксплуатации конструкции. Временные нагрузки (например, вес поезда) действуют в течении ограниченного промежутка времени. Статическая нагрузка медленно возрастает от нуля до ее конечного значения, а потому эта нагрузка вызывает в конструкции весьма малые ускорения, в связи с чем возникающими при это силами инерции можно в расчете пренебречь. Динамическая нагрузка (например, ударная) вызывает в конструкции или отдельных ее элементах ускорение, которыми в расчете пренебречь нельзя. Величина этой нагрузки значительно изменяется за малые промежутки времени.

Временная нагрузка может сохранять более или менее постоянную величину в течении всего периода ее действия, а может непрерывно изменятся по некоторому закону; в последнем случае она называется переменной нагрузкой. Если переменная нагрузка изменяется по циклическому (повторяющемуся) закону, то она называется циклической.