При прямом чистом изгибе бруса в его поперечных сечениях возникают только нормальные напряжения. Когда величина изгибающего момента М в сечении стержня меньше некоторого значения, эпюра, характеризующая распределение нормальных напряжений вдоль оси у поперечного сечения, перпендикулярной нейтральной оси (рис. 11.17, а), имеет вид, показанный на рис. 11.17, б. Наибольшие напряжения при этом равны По мере увеличения изгибающего момента М нормальные напряжения возрастают, пока наибольшие их значения (в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси) становятся равными пределу текучести (рис. 11.17, в); при этом изгибающий момент равен опасному значению:
При увеличении изгибающего момента сверх опасного значения напряжения, равные пределу текучести возникают не только в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси, но и в некоторой зоне поперечного сечения (рис. 11.17, г); в этой зоне материал находится в пластическом состоянии. В средней части сечения напряжения меньше предела текучести, т. е. материал в этой части находится еще в упругом состоянии.
При дальнейшем увеличении изгибающего момента пластическая зона распространяется в сторону нейтральной оси, а размеры упругой зоны уменьшаются.
При некотором предельном значении изгибающего момента , соответствующем полному исчерпанию несущей способности сечения стержня на изгиб, упругая зона исчезает, а зона пластического состояния занимает всю площадь поперечного сечения (рис. 11.17, д). При этом в сечении образуется так называемый пластический шарнир (или шарнир текучести).
В отличие от идеального шарнира, который не воспринимает момента, в пластическом шарнире действует постоянный момент Пластический шарнир является односторонним: он исчезает при действии на стержень моментов обратного (по отношению к ) знака или при разгрузке балки.
Для определения величины предельного изгибающего момента выделим в части поперечного сечения балки, расположенной над нейтральной осью, элементарную площадку отстоящую на расстоянии от нейтральной оси, а в части, расположенной под нейтральной осью, - площадку отстоящую на расстоянии от нейтральной оси (рис. 11.17, а).
Элементарная нормальная сила, действующая на площадку в предельном состоянии, равна а ее момент относительно нейтральной оси равен аналогично момент нормальной силы действующей на площадку равен Оба эти момента имеют одинаковые знаки. Величина предельного момента равна моменту всех элементарных сил относительно нейтральной оси:
где - статические моменты соответственно верхней и нижней частей поперечного сечения относительно нейтральной оси .
Сумму называют осевым пластическим моментом сопротивления и обозначают
(10.17)
Следовательно,
(11.17)
Продольная сила в поперечном сечении при изгибе равна нулю, а потому площадь сжатой зоны сечения равняется площади растянутой зоны. Таким образом, нейтральная ось в сечении, совпадающем с пластическим шарниром, делит это поперечное сечение на две равновеликие части. Следовательно, при несимметричном поперечном сечении нейтральная ось не проходит в предельном состоянии через центр тяжести сечения.
Определим по формуле (11.17) величину предельного момента для стержня прямоугольного сечения высотой h и шириной b:
Опасное значение момента при котором эпюра нормальных напряжений имеет вид, изображенный на рис. 11.17, в, для прямоугольного сечения определяется по формуле
Отношение
Для круглого сечения отношение а для двутаврового
Если изгибаемый брус является статически определимым, то после снятия нагрузки, вызвавшей в нем момент изгибающий момент в его поперечном сечении равняется нулю. Несмотря на это, нормальные напряжения в поперечном сечении не исчезают. На эпюру нормальных напряжений в пластической стадии (рис. 11.17, е) накладывается эпюра напряжений в упругой стадии (рис. 11.17, е), аналогичная эпюре, изображенной на рис. 11.17,б, так как при разгрузке (которую можно рассматривать как нагрузку моментом обратного знака) материал ведет себя как упругий.
Изгибающий момент М, соответствующий эпюре напряжений, показанный на рис. 11.17, е, по абсолютной величине равен так как только при этом условии в поперечном сечении бруса от действия момента и М суммарный момент равен нулю. Наибольшее напряжение на эпюре (рис. 11.17, е) определяется из выражения
Суммируя эпюры напряжений, показанные на рис. 11.17, д,е, получаем эпюру, изображенную на рис. 11.17, ж. Эта эпюра характеризует распределение напряжений после снятия нагрузки, вызывавшей момент При такой эпюре изгибающий момент в сечении (а также и продольная сила) равняется нулю.
Изложенная теория изгиба за пределом упругости используется не только в случае чистого изгиба, но и в случае поперечного изгиба, когда в поперечном сечении балки кроме изгибающего момента действует также поперечная сила.
Определим теперь предельное значение силы Р для статически определимой балки, изображенной на рис. 12.17, а. Эпюра изгибающих моментов для этой балки показана на рис. 12.17,б. Наибольший изгибающий момент возникает под грузом где он равен Предельное состояние, соответствующее полному исчерпанию несущей способности балки, достигается тогда, когда в сечении под грузом возникает пластический шарнир, в результате чего балка превращается в механизм (рис. 12.17, в).
При этом изгибающий момент в сечении под грузом равняется
Из условия находим [см. формулу (11.17)]
Теперь вычислим предельную нагрузку для статически неопределимой балки. Рассмотрим в качестве примера два раза статически неопределимую балку постоянного сечения, изображенную на рис. 13.17, а. Левый конец А балки жестко защемлен, а правый конец В закреплен против поворота и вертикального смещения.
Если напряжения в балке не превышают предела пропорциональности, то эпюра изгибающих моментов имеет вид, показанный на рис. 13.17, б. Она построена по результатам расчета балки обычными методами, например с помощью уравнений трех моментов. Наибольший изгибающий момент равный возникает в левом опорном сечении рассматриваемой балки. При значении нагрузки изгибающий момент в этом сечении достигает опасного значения вызывающего появление напряжений, равных пределу текучести, в волокнах балки, наиболее удаленных от нейтральной оси.
Увеличение нагрузки сверх указанной величины приводит к тому, что в левом опорном сечении А изгибающий момент становится равным предельному значению и в этом сечении появляется пластический шарнир. Однако несущая способность балки полностью еще не исчерпывается.
При дальнейшем возрастании нагрузки до некоторого значения пластические шарниры появляются также в сечениях В и С. В результате появления трех шарниров балка, вначале дважды статически неопределимая, становится геометрически изменяемой (превращается в механизм). Такое состояние рассматриваемой балки (когда в ней возникают три пластических шарнира) является предельным и соответствует полному исчерпанию ее несущей способности; дальнейшее увеличение нагрузки Р становится невозможным.
Величину предельной нагрузки можно установить без исследования работы балки в упругой стадии и выяснения последовательности образования пластических шарниров.
Значения изгибающих моментов в сечениях. А, В и С (в которых возникают пластические шарниры) в предельном состоянии равны соответственно и, следовательно, эпюра изгибающих моментов при предельном состоянии балки имеет вид, изображенный на рис. 13.17, в. Эту эпюру можно представить состоящей из двух эпюр: первая из них (рис. 13.17, г) представляет собой прямоугольник с ординатами и вызвана моментами приложенными по концам простой балки, лежащей на двух опорах (рис. 13.17, д); вторая эпюра (рис. 13.17, е) представляет собой треугольник с наибольшей ординатой и вызвана грузом действующим на простую балку (рис. 13.17, ж.
Известно, что сила Р, действующая на простую балку, вызывает в сечении под грузом изгибающий момент где а и - расстояния от груза до концов балки. В рассматриваемом случае (рис.
И, следовательно, момент под грузом
Но этот момент, как показано (рис. 13.17, е), равняется
Аналогичным образом устанавливаются предельные нагрузки для каждого пролета многопролетной статически неопределимой балки. В качестве примера рассмотрим четырежды статически неопределимую балку постоянного сечения, изображенную на рис. 14.17, а.
В предельном состоянии, соответствующем полному исчерпанию несущей способности балки в каждом ее пролете, эпюра изгибающих моментов имеет вид, показанный на рис. 14.17, б. Эту эпюру можно рассматривать состоящей из двух эпюр, построенных в предположении, что каждый пролет представляет собой простую балку, лежащую на двух опорах: одной эпюры (рис. 14.17, в), вызванной моментами действующими в опорных пластических шарнирах, и второй (рис. 14.17, г), вызванной предельными нагрузками, приложенными в пролетах.
Из рис. 14.17, г устанавливаем:
В этих выражениях
Полученное значение предельной нагрузки для каждого пролета балки не зависит от характера и величин нагрузок в остальных пролетах.
Из разобранного примера видно, что расчет статически неопределимой балки по несущей способности оказывается проще, чем расчет по упругой стадии.
Несколько иначе проводится расчет неразрезной балки по несущей способности в тех случаях, когда кроме характера нагрузки в каждом пролете задаются также соотношения между величинами нагрузок в разных пролетах. В этих случаях предельной нагрузкой считается такая, при которой происходит исчерпание несущей способности балки не во всех пролетах, а в одном из ее пролетов.
Предельно допускаемая нагрузка определяется путем деления величин на нормативный коэффициент запаса прочности.
Значительно сложнее определение предельных нагрузок при действии на балку сил, направленных не только сверху вниз, но также и снизу вверх, а также при действии сосредоточенных моментов.
Гипотезу плоских сечений при изгибе можно объяснить на примере: нанесем на боковой поверхности недеформированной балки сетку, состоящую из продольных и поперечных (перпендикулярных к оси) прямых линий. В результате изгиба балки продольные линии примут криволинейное очертание, а поперечные практически останутся прямыми и перпендикулярными к изогнутой оси балки.
Формулировка гипотезы плоских сечения : поперечные сечения, плоские и перпендикулярные к оси балки до , остаются плоскими и перпендикулярными к изогнутой оси после ее деформации.
Это обстоятельство свидетельствует: при выполняется гипотеза плоских сечений , как при и
Помимо гипотезы плоских сечений принимается допущение : продольные волокна балки при ее изгибе не надавливают друг на друга.
Гипотезу плоских сечений и допущение называют гипотезой Бернулли .
Рассмотрим балку прямоугольного поперечного сечения, испытывающую чистый изгиб (). Выделим элемент балки длиной (рис. 7.8. а). В результате изгиба поперечные сечения балки повернутся, образовав угол . Верхние волокна испытывают сжатие, а нижние растяжение. Радиус кривизны нейтрального волокна обозначим .
Условно считаем, что волокна изменяют свою длину, оставаясь при этом прямыми (рис. 7.8. б). Тогда абсолютное и относительное удлинения волокна, отстоящего на расстоянии y от нейтрального волокна:
Покажем, что продольные волокна, не испытывающие при изгибе балки ни растяжения, ни сжатия, проходят через главную центральную ось x.
Поскольку длина балки при изгибе не изменяется, продольное усилие (N), возникающее в поперечном сечении, должно равняться нулю. Элементарное продольное усилие .
С учетом выражения :
Множитель можно вынести за знак интеграла (не зависит от переменной интегрирования).
Выражение представляет поперечного сечения балки относительно нейтральной оси x. Он равен нулю, когда нейтральная ось проходит через центр тяжести поперечного сечения. Следовательно, нейтральная ось (нулевая линия) при изгибе балки проходит через центр тяжести поперечного сечения.
Очевидно: изгибающий момент связан с нормальными напряжениями, возникающими в точках поперечного сечения стержня. Элементарный изгибающий момент, создаваемый элементарной силой :
,
где – осевой момент инерции поперечного сечения относительно нейтральной оси x, а отношение - кривизна оси балки.
Жесткость балки при изгибе (чем больше, тем меньше радиус кривизны ).
Полученная формула представляет собой закон Гука при изгибе для стержня
: изгибающий момент, возникающий в поперечном сечении, пропорционален кривизне оси балки.
Выражая из формулы закона Гука для стержня при изгибе радиус кривизны () и подставляя его значение в формулу , получим формулу для нормальных напряжений () в произвольной точке поперечного сечения балки, отстоящей на расстоянии y
от нейтральной оси x
: .
В формулу для нормальных напряжений () в произвольной точке поперечного сечения балки следует подставлять абсолютные значения изгибающего момента () и расстояния от точки до нейтральной оси (координаты y). Будет ли напряжение в данной точке растягивающим или сжимающим легко установить по характеру деформации балки или по эпюре изгибающих моментов, ординаты которой откладываются со стороны сжатых волокон балки.
Из формулы видно: нормальные напряжения () изменяются по высоте поперечного сечения балки по линейному закону. На рис. 7.8, в показана эпюра . Наибольшие напряжения при изгибе балки возникают в точках, наиболее удаленных от нейтральной оси. Если в поперечном сечении балки провести линию, параллельную нейтральной оси x, то во всех ее точках возникают одинаковые нормальные напряжения.
Несложный анализ эпюры нормальных напряжений показывает, при изгибе балки материал, расположенный вблизи нейтральной оси, практически не работает. Поэтому в целях снижения веса балки рекомендуется выбирать такие формы поперечного сечения, у которых большая часть материала удалена от нейтральной оси, как, например, у двутаврового профиля.
Изгибающий момент и поперечная сила
Основные понятия об изгибе. Чистый и поперечный изгиб балки
Чистым изгибом называется такой вид деформации, при котором в любом поперечном сечении бруса возникает только изгибающий момент.
Деформация чистого изгиба будет, например, иметь место, если к прямому брусу в плоскости, проходящей через ось, приложить две равные по величине и противоположные по знаку пары сил.
На изгиб работают балки, оси, валы и другие детали конструкций. Если брус имеет хоть одну ось симметрии, и плоскость действия нагрузок совпадает с ней, то имеет место прямой изгиб
, если же это условие не выполняется, то имеет место косой изгиб
.
При изучении деформации изгиба будем мысленно представлять себе, что балка (брус) состоит из бесчисленного количества продольных, параллельных оси волокон.
Чтобы наглядно представить деформацию прямого изгиба, проведем опыт с резиновым брусом, на котором нанесена сетка продольных и поперечных линий.
Подвергнув такой брус прямому изгибу, можно заметить, что (рис. 1):
- поперечные линии останутся при деформации прямыми, но повернутся под углом друг другу;
- сечения бруса расширятся в поперечном направлении на вогнутой стороне и сузятся на выпуклой стороне;
- продольные прямые линии искривятся.
Из этого опыта можно сделать вывод, что:
- при чистом изгибе справедлива гипотеза плоских сечений;
- волокна, лежащие на выпуклой стороне растягиваются, на вогнутой стороне – сжимаются, а на границе между ними лежит нейтральный слой волокон, которые только искривляются, не изменяя своей длины.
Полагая справедливой гипотезу о не надавливании волокон, можно утверждать, что при чистом изгибе в поперечном сечении бруса возникают только нормальные напряжения растяжения и сжатия, неравномерно распределенные по сечению.
Линия пересечения нейтрального слоя с плоскостью поперечного сечения называется нейтральной осью
. Очевидно, что на нейтральной оси нормальные напряжения равны нулю.
Изгибающий момент и поперечная сила
Как известно из теоретической механики, опорные реакции балок определяют, составляя и решая уравнения равновесия статики для всей балки. При решении задач сопротивления материалов, и определении внутренних силовых факторов в брусьях, мы учитывали реакции связей наравне с внешними нагрузками, действующими на брусья.
Для определения внутренних силовых факторов применим метод сечений, причем изображать балку будем только одной линией – осью, к которой приложены активные и реактивные силы (нагрузки и реакции связей).
Рассмотрим два случая:
1.К балке приложены две равные и противоположные по знаку пары сил.
Рассматривая равновесие части балки, расположенной слева или справа от сечения 1-1
(рис. 2), видим, что во всех поперечных сечениях возникает только изгибающий момент М и
, равный внешнему моменту. Таким образом, это случай чистого изгиба.
Изгибающий момент есть результирующий момент относительно нейтральной оси внутренних нормальных сил, действующих в поперечном сечении балки.
Обратим внимание на то, что изгибающий момент имеет разное направление для левой и правой частей балки. Это говорит о непригодности правила знаков статики при определении знака изгибающего момента.
2. К балке приложены активные и реактивные силы (нагрузки и реакции связей), перпендикулярные оси
(рис 3). Рассматривая равновесие частей балки, расположенных слева и справа, видим, что в поперечных сечениях должны действовать изгибающий моментМ и
и поперечная сила Q
.
Из этого следует, что в рассматриваемом случае в точках поперечных сечений действуют не только нормальные напряжения, соответствующие изгибающему моменту, но и касательные, соответствующие поперечной силе.
Поперечная сила есть равнодействующая внутренних касательных сил в поперечном сечении балки.
Обратим внимание на то, что поперечная сила имеет противоположное направление для левой и правой частей балки, что говорит о непригодности правила знаков статики при определении знака поперечной силы.
Изгиб, при котором в поперечном сечении балки действуют изгибающий момент и поперечная сила, называется поперечным.
У балки, находящейся в равновесии вод действием плоской системы сил, алгебраическая сумма моментов всех активных и реактивных сил относительно любой точки равна нулю; следовательно, сумма моментов внешних сил, действующих на балку левее сечения, численно равна сумме моментов всех внешних сил, действующих на балку правее сечения.
Таким образом, изгибающий момент в сечении балки численно равен алгебраической сумме моментов относительно центра тяжести сечения всех внешних сил, действующих на балку справа или слева от сечения.
У балки, находящейся в равновесии под действием плоской системы сил, перпендикулярных оси (т. е. системы параллельных сил), алгебраическая сумма всех внешних сил равна нулю; следовательно сумма внешних сил, действующих на балку левее сечения, численно равна алгебраической сумме сил, действующих на балку правее сечения.
Таким образом, поперечная сила в сечении балки численно равна алгебраической сумме всех внешних сил, действующих справа или слева от сечения.
Так как правила знаков статики неприемлемы для установления знаков изгибающего момента и поперечной силы, установим для них другие правила знаков, а именно: Если внешняя нагрузка стремится изогнуть балку выпуклостью вниз, то изгибающий момент в сечении считается положительным, и наоборот, если внешняя нагрузка стремится изогнуть балку выпуклостью вверх, то изгибающий момент в сечении считается отрицательным (рис 4a).
Если сумма внешних сил, лежащих по левую сторону от сечения, дает равнодействующую, направленную вверх, то поперечная сила в сечении считается положительной, если равнодействующая направлена вниз, то поперечная сила в сечении считается отрицательной; для части балки, расположенной справа от сечения, знаки поперечной силы будут противоположными (рис. 4b). Пользуясь этими правилами, следует мысленно представлять себе сечение балки жестко защемлённым, а связи отброшенными и замененными реакциями.
Еще раз отметим, что для определения реакций связей пользуются правилами знаков статики, а для определения знаков изгибающего момента и поперечной силы – правилами знаков сопротивления материалов.
Правило знаков для изгибающих моментов иногда называют "правилом дождя"
, имея в виду, что в случае выпуклости вниз образуется воронка, в которой задерживается дождевая вода (знак положительный), и наоборот – если под действием нагрузок балка выгибается дугой вверх, вода на ней не задерживается (знак изгибающих моментов отрицательный).
Эпюры внутренних усилий при прямом изгибе.
Прямым изгибом называется такой вид простого сопротивления, когда внешние силы приложены перпендикулярно продольной оси бруса (балки) и расположены в одной из главных плоскостей в соответствие с конфигурацией поперечного сечения балки.
Как известно, при прямом изгибе в поперечном сечении возникают два вида внутренних усилий: поперечная сила и внутренний изгибающий момент.
Рассмотрим пример расчетной схемы консольной балки с сосредоточенной силой Р , рис. 1 а., …
а) расчетная схема, б) левая часть, в) правая часть, г) эпюра поперечных сил, д) эпюра изгибающих моментов
Рис.1. Построение эпюр поперечных сил и внутренних изгибающих моментов при прямом изгибе:
Наиболее рациональным следует признать сечение, обладающее минимальной площадью при заданной нагрузке (изгибающем моменте) на балку. В этом случае расход материала на изготовление балки, будет минимальным. Для получения балки минимальной материалоемкости нужно стремиться к тому, чтобы по возможности наибольший объем материала работал при напряжениях, равных допускаемым или близким к ним. Прежде всего рациональное сечение балки при изгибе должно удовлетворять условию равнопрочности растянутой и сжатой зон балки.Иными словами необходимо, чтобы наибольшие напряжения растяжения (max ) н наибольшие напряжения сжатия (max ) одновременно достигали допускаемых напряжений и .
Поэтому для балки из пластичного материала (одинаково работающего на растяжение и сжатие: 
), условие равнопрочности выполняется для сечений, симметричных относительно нейтральной оси. К таким сечениям относится, например, прямоугольное сечение (рис. 6, а
), при котором обеспечено условие равенства 
. Однако в этом случае материал, равномерно распределенный по высоте сечения, плохо используется в зоне нейтральной оси. Чтобы получить более рациональное сечение, необходимо возможно большую часть материала переместить в зоны, максимально удаленные от нейтральной оси. Таким образом, приходим к рациональному для пластичного материала
сечению в форме симметричного двутавра
(рис. 6): 2 горизонтальных массивных листа, соединенные стенкой (вертикальным листом), толщина которой назначается из условий прочности стенки по касательным напряжениям, а также из соображений ее устойчивости. К двутаврому сечению близко по критерию рациональности так называемое коробчатое сечение (рис. 6, в
).
Рис.6. Распределение нормальных напряжений в симметричных сечениях
Рассуждая аналогично, приходим к выводу, что для балок из хрупкого материала наиболее рациональным будет сечение в форме несимметричного двутавра, удовлетворяющего условию равнопрочности на растяжение и сжатие (рис. 27):
которое вытекает из требования
Рис.7. Распределение напряжений несимметричного профиля сечения балки.
Идея рациональности поперечного сечения стержней при изгибе реализована в стандартных тонкостенных профилях, получаемых методами горячего прессования или прокатки из рядовых и легированных конструкционных высококачественных сталей, а также алюминия и алюминиевых сплавов, получивших широкое распространение в строительстве, машиностроении, авиационном машиностроении. Широко распространены показанные на рис. 7: а- двутавр, б- швеллер, в - неравнобокий уголок, г -равнобокий уголок. Реже встречаются тавр, таврошвеллер, зетовый профиль и др.
Рис.8. Используемые профили сечений: а) двутавр, б) швеллер, в) неравнобокий уголок, г) равнобокий уголок
Формула осевого момента сопротивления при изгибе выводится просто. Когда поперечное сечение балки симметрично относительно нейтральной оси, нормальные напряжения в наиболее удаленных точках (при ) определяются по формуле:
Геометрическую характеристику поперечного сечения балки, равную называют осевым моментом сопротивления при изгибе
. Осевой момент сопротивления при изгибе измеряется в единицах длины в кубе (как правило, в см3). Тогда 
.
Для прямоугольного поперечного сечения: ;
формула осевого момент сопротивления при изгибе
для круглого поперечного сечения: 
.
При прямом чистом изгибе в поперечном сечении стержня возникает только один силовой фактор изгибающий момент М х (рис. 1). Так как Q y =dM x /dz=0, то M x =const и чистый прямой изгиб может быть реализован при загружении стержня парами сил, приложенными в торцевых сечениях стержня. Поскольку изгибающий момент M х по определению равен сумме моментов внутренних сил относительно оси Ох с нормальными напряжениями его связывает выкающее из этого определения уравнение статики
Сформулируем предпосылки теории чистого прямого изгиба призматического стержня. Для этого проанализируем деформации модели стержня из низкомодульного материала, на боковой поверхности которого нанесена сетка продольных и поперечных рисок (рис. 2). Поскольку поперечные риски при изгибе стержня парами сил, приложенными в торцевых сечениях, остаются прямыми и перпендикулярными к искривленным продольным рискам, это позволяет сделать вывод о выполнении гипотезы плоских сечений, которая, как показывает решение этой задачи методами теории упругости, перестает быть гипотезой, становясь точным фактом законом плоских сечений. Замеряя изменение расстояний между продольными рисками, приходим к выводу о справедливости гипотезы о ненадавливании продольных волокон .
Ортогональность продольных и поперечных рисок до и после деформирования (как отражение действия закона плоских сечений) указывает также на отсутствие сдвигов, касательных напряжений в поперечных и продольных сечениях стержня.
Рис.1.
Связь внутреннего усилия и напряжения
Рис.2. Модель чистого изгиба
Таким образом, чистый прямой изгиб призматического стержня сводится к одноосному растяжению или сжатию продольных волокон напряжениями (индекс г в дальнейшем опускаем). При этом часть волокон находится в зоне растяжения (на рис. 2 этонижние волокна), а другая частьв зоне сжатия (верхние волокна). Эти зоны разделены нейтральным слоем (пп), не меняющим своей длины, напряжения в котором равны нулю. Учитывая сформулированные выше предпосылки и полагая, что материал стержня линейно-упругий, т. е. закон Гука в этом случае имеет вид: , выведем формулы для кривизны нейтрального слоя (радиус кривизны) и нормальных напряжений . Предварительно отметим, что постоянство поперечного сечения призматического стержня и изгибающего момента (M х =сonst), обеспечивает постоянство радиуса кривизны нейтрального слоя по длине стержня (рис. 3, а ), нейтральный слой (пп) описывается дугой окружности.
Рассмотрим призматический стержень в условиях прямого чистого изгиба (рис. 3, а) с поперечным сечением, симметричным относительно вертикальной оси Оу. Это условие не отразится на конечном результате (чтобы прямой изгиб был возможен, необходимо совпадение оси Оу с главной осью инерции поперечного сечения, которая и является осью симметрии). Ось Ox поместим на нейтральном слое, положение которого заранее неизвестно.
а ) расчетная схема, б ) деформации и напряжения
Рис.3. Фрагмент чистого изгиба брусаРассмотрим вырезанный из стержня элемент длиной dz , который в масштабе с искаженными в интересах наглядности пропорциями изображен на рис. 3, б . Поскольку интерес представляют деформации элемента, определяемые относительным смещением его точек, одно из торцевых сечений элемента можно считать неподвижным. Ввиду малости считаем, что точки поперечного сечения при повороте на этот угол перемещаются не по дугам, а по соответствующим касательным.
Вычислим относительную деформацию продольного волокна АВ, отстоящего от нейтрального слоя на у:
Из подобия треугольников С00 1 и 0 1 ВВ 1 следует, что
Продольная деформация оказалась линейной функцией расстояния от нейтрального слоя, что является прямым следствием закона плоских сечений
Эта формула не пригодна для практического использования, так как содержит две неизвестные: кривизну нейтрального слоя и положение нейтральной оси Ох , от которой отсчитывается координата у. Для определения этих неизвестных воспользуемся уравнениями равновесия статики. Первое выражает требование равенства нулю продольной силы
|
Подставляя в это уравнение выражение (2)
и учитывая, что , получаем, что
Интеграл в левой части этого уравнения представляет собой статический момент поперечного сечения стержня относительно нейтральной оси Ох, который может быть равным нулю только относительно центральной оси. Поэтому нейтральная ось Ох проходит через центр тяжести поперечного сечения.
Вторым уравнением равновесия статики является, связывающее нормальные напряжения с изгибающим моментом (который легко может быть выражен через внешние силы и поэтому считается заданной величиной). Подставляя в уравнение связки выражение для. напряжений, получим:
и учитывая, что 
где J x
главный центральный момент инерции относительно оси Ох,
для кривизны нейтрального слоя получаем формулу
Рис.4. Распределение нормальных напряжений
которая была впервые получена Ш. Кулоном в 1773 году. Для согласования знаков изгибающего момента М х и нормальных напряжений в правой части формулы (5) ставится знак минус, так как при M х >0 нормальные напряжения при y >0 оказываются сжимающими. Однако в практических расчетах удобнее, не придерживаясь формального правила знаков, определять напряжения по модулю, а знак ставить по смыслу. Нормальные напряжения при чистом изгибе призматического стержня являются линейной функцией координаты у и достигают наибольших значений в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси (рис. 4), т. е.
Здесь введена геометрическая характеристика 
, имеющая размерность м 3 и получившая название момента сопротивления при изгибе.
Поскольку при заданном M х
напряжения max ?
тем меньше, чем больше W x ,
момент сопротивления является геометрической характеристикой прочности поперечного сечения изгибе.
Приведем примеры вычисления моментов сопротивления для простейших форм поперечных сечений. Для прямоугольного поперечного сечения (рис. 5, а
) имеем J х =bh 3 /12,y max
= h/2
и W x = J x /y max
= bh 2 /6.
Аналогично для круга (рис. 5,a J x
=d 4
/64, y max =d/2
) получаем W x
=d 3
/32, для кругового кольцевого сечения (рис. 5, в),
у которого
Расчет балки на изгиб «вручную», по-дедовски, позволяет познать один из важнейших, красивейших, четко математически выверенных алгоритмов науки сопротивление материалов. Использование многочисленных программ типа «ввел исходные данные...
...– получи ответ» позволяет современному инженеру сегодня работать гораздо быстрее, чем его предшественникам сто, пятьдесят и даже двадцать лет назад. Однако при таком современном подходе инженер вынужден полностью доверять авторам программы и со временем перестает «ощущать физический смысл» расчетов. Но авторы программы – это люди, а людям свойственно ошибаться. Если бы это было не так, то не было бы многочисленных патчей, релизов, «заплаток» практически к любому программному обеспечению. Поэтому, мне кажется, любой инженер должен уметь иногда «вручную» проверить результаты расчетов.
Справка (шпаргалка, памятка) для расчётов балок на изгиб представлена ниже на рисунке.
Давайте на простом житейском примере попробуем ей воспользоваться. Допустим, я решил сделать в квартире турник. Определено место – коридор шириной один метр двадцать сантиметров. На противоположных стенах на необходимой высоте напротив друг друга надежно закрепляю кронштейны, к которым будет крепиться балка-перекладина – пруток из стали Ст3 с наружным диаметром тридцать два миллиметра. Выдержит ли эта балка мой вес плюс дополнительные динамические нагрузки, которые возникнут при выполнении упражнений?
Чертим схему для расчета балки на изгиб. Очевидно, что наиболее опасной будет схема приложения внешней нагрузки, когда я начну подтягиваться, зацепившись одной рукой за середину перекладины.
Исходные данные:
F1 = 900 н – сила, действующая на балку (мой вес) без учета динамики
d = 32 мм – наружный диаметр прутка, из которого сделана балка
E = 206000 н/мм^2 — модуль упругости материала балки стали Ст3
[σи] = 250 н/мм^2 — допустимые напряжения изгиба (предел текучести) для материала балки стали Ст3
Граничные условия:
Мx (0) = 0 н*м – момент в точке z = 0 м (первая опора)
Мx (1,2) = 0 н*м– момент в точке z = 1,2 м (вторая опора)
V (0) = 0 мм – прогиб в точке z = 0 м (первая опора)
V (1,2) = 0 мм – прогиб в точке z = 1,2 м (вторая опора)
Расчет:
1. Для начала вычислим момент инерции Ix и момент сопротивления Wx сечения балки. Они нам пригодятся в дальнейших расчетах. Для кругового сечения (каковым является сечение прутка):
Ix = (π*d^4)/64 = (3.14*(32/10)^4)/64 = 5,147 см^4
Wx = (π*d^3)/32 = ((3.14*(32/10)^3)/32) = 3,217 см^3
2. Составляем уравнения равновесия для вычисления реакций опор R1 и R2:
Qy = -R1+F1-R2 = 0
Мx (0) = F1*(0-b2) -R2*(0-b3) = 0
Из второго уравнения: R2 = F1*b2/b3 = 900*0.6/1.2 = 450 н
Из первого уравнения: R1 = F1-R2 = 900-450 = 450 н
3. Найдем угол поворота балки в первой опоре при z = 0 из уравнения прогиба для второго участка:
V (1.2) = V (0)+U (0)*1.2+(-R1*((1.2-b1)^3)/6+F1*((1.2-b2)^3)/6)/
U (0) = (R1*((1.2-b1)^3)/6 -F1*((1.2-b2)^3)/6)/(E*Ix)/1,2 =
= (450*((1.2-0)^3)/6 -900*((1.2-0.6)^3)/6)/
/(206000*5,147/100)/1,2 = 0,00764 рад = 0,44˚
4.
Составляем уравнения для построения эпюр для первого участка (0 Поперечная сила: Qy (z) = -R1 Изгибающий момент: Мx (z) = -R1*(z-b1) Угол поворота: Ux (z) = U (0)+(-R1*((z-b1)^2)/2)/(E*Ix) Прогиб: Vy (z) = V (0)+U (0)*z+(-R1*((z-b1)^3)/6)/(E*Ix) z = 0 м:
Qy (0) = -R1 = -450 н Ux (0) = U (0) = 0,00764 рад Vy (0) = V (0) = 0 мм z = 0,6 м:
Qy (0,6) = -R1 = -450 н Мx (0,6) = -R1*(0,6-b1) = -450*(0,6-0) = -270 н*м Ux (0,6) = U (0)+(-R1*((0,6-b1)^2)/2)/(E*Ix) = 0,00764+(-450*((0,6-0)^2)/2)/(206000*5,147/100) = 0 рад Vy (0,6) = V (0)+U (0)*0,6+(-R1*((0,6-b1)^3)/6)/(E*Ix) = 0+0,00764*0,6+(-450*((0,6-0)^3)/6)/ (206000*5,147/100) = 0,003 м Балка прогнется по центру на 3 мм под тяжестью моего тела. Думаю, это приемлемый прогиб. 5.
Пишем уравнения эпюр для второго участка (b2 Поперечная сила: Qy (z) = -R1+F1 Изгибающий момент: Мx (z) = -R1*(z-b1)+F1*(z-b2) Угол поворота: Ux (z) = U (0)+(-R1*((z-b1)^2)/2+F1*((z-b2)^2)/2)/(E*Ix) Прогиб: Vy (z) = V (0)+U (0)*z+(-R1*((z-b1)^3)/6+F1*((z-b2)^3)/6)/(E*Ix) z = 1,2 м:
Qy (1,2) = -R1+F1 = -450+900 = 450 н Мx (1,2) = 0 н*м Ux (1,2) = U (0)+(-R1*((1,2-b1)^2)/2+F1*((1,2-b2)^2)/2)/(E*Ix) = 0,00764+(-450*((1,2-0)^2)/2+900*((1,2-0,6)^2)/2)/ /(206000*5,147/100) = -0.00764 рад Vy (1,2) = V (1,2) = 0 м 6.
Строим эпюры, используя данные полученные выше. 7.
Рассчитываем напряжения изгиба в наиболее нагруженном сечении – посередине балки и сравниваем с допустимыми напряжениями: σи = Mx max/Wx = (270*1000)/(3,217*1000) = 84 н/мм^2 σи = 84 н/мм^2 < [σи] = 250 н/мм^2 По прочности на изгиб расчет показал трехкратный запас прочности – турник можно смело делать из имеющегося прутка диаметром тридцать два миллиметра и длиной тысяча двести миллиметров. Таким образом, вы теперь легко можете произвести расчет балки на изгиб «вручную» и сравнить с результатами, полученными при расчете по любой из многочисленных программ, представленных в Сети. Прошу УВАЖАЮЩИХ
труд автора ПОДПИСАТЬСЯ
на анонсы статей.
86 комментариев на «Расчет балки на изгиб — «вручную»!»
Статьи с близкой тематикой
Отзывы
