Giáo trình sức bền vật liệu (nghề cắt gọt kim loại cao đẳng)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: SỨC BỀN VẬT LIỆU NGHỀ: CẮT GỌT KIM LOẠI TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: / QĐ-CĐCG ngày … tháng năm…… Trường cao đẳng Cơ giới Quảng Ngãi, năm 2022 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Môn học Sức bền vật liệu mơn học sở ngành khí có nhiều thơng tin lý thuyết có tính ứng dụng thực tiễn cao, thơng qua em hiểu rõ ràng lý thuyết cắt gọt, biết cách chọn chế độ cắt gọn tối ưu làm tài liệu tham khảo bạn đọc quan tâm Hiện nay, có nhiều giáo trình, tài liệu tham khảo, sách hướng dẫn Sức bền vật liệu biên soạn biên dịch nhiều tác giả, chuyên gia đầu ngành Sức bền vật liệu Tuy nhiên nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng trình đào tạo nhà trường phải bám sát chương trình khung giáo trình Sức bền vật liệu biên soạn tham gia giảng viên trường Cao đẳng Cơ giới dựa sở chương trình khung đào tạo ban hành, trường Cao đẳng Cơ giới với giáo viên có nhiều kinh nghiệm tham khảo nguồn tài liệu khác để thực biên soạn giáo trình Sức bền vật liệu phục vụ cho công tác giảng dạy Giáo trình thiết kế theo mơn học thuộc hệ thống mơn học MH16 chương trình đào tạo nghề Cắt gọt kim loại cấp trình độ cao dẳng nghề dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo, sau học tập xong mơ đun này, học viên có đủ kiến thức để học tập tiếp môn học, mô đun khác nghề Quảng Ngãi, ngày tháng năm 2022 Tham gia biên soạn Trương Thị Ngọc Thư ………… ……… … Chủ biên MỤC LỤC TT NỘI DUNG TRANG Lời giới thiệu 2 Mục lục 3 Chương 1: Những khái niệm chung 12 Giới thiệu lịch sử môn học 13 Nhiệm vụ đối tượng nghiên cứu môn học 13 Các giả thuyết vật liệu 15 Ngoại lực, nội lực, phương pháp mặt cắt ứng suất 16 Các loại biến dạng 21 Chương 2: Kéo nén tâm 23 10 Khái niệm kéo (nén) tâm 24 11 Ứng suất biến dạng 24 12 Đặc trưng học vật liệu 27 13 Tính tốn kéo (nén) tâm 31 14 Chương 3: Cắt 44 15 Khái niệm cắt 45 16 Áp dụng vào mối ghép đinh tán - tượng dập 49 17 Chương 4: Đặc trưng học hình phẳng 53 18 Khái niệm momen tĩnh 54 19 Khái niệm momen quán tính 57 20 Bán kính quán tính 60 21 Chương 5: Xoắn túy 62 22 1.Khái niệm xoắn túy 63 23 Ứng suất biến dạng mặt cắt trịn chịu xoắn 65 24 Tính tốn xoắn túy 68 25 Chương 6: Uốn ngang phẳng 74 26 Khái niệm uốn ngang phẳng 75 27 Nội lực biểu đồ nội lực 75 28 Định lý Gin – rap – sky PP vẽ nhanh biểu đồ lực cắt momen uốn 78 29 Ứng suất dầm chịu uốn ngang phẳng 79 30 Tính tốn uốn ngang phẳng 81 31 Biến dạng dầm chịu uốn 83 32 Chương 7: Thanh chịu lực phức tạp 86 33 Khái niệm chịu lực phức tạp 87 34 Uốn xiên 88 35 Uốn ngang phẳng kéo (nén) đồng thời 94 36 Uốn xoắn đồng thời 98 37 Chương 8: Ổn định thẳng chịu nén tâm 103 38 1.Khái niệm ổn định, lực tới hạn ứng suất tới hạn 104 39 Cơng thức tính lực tới hạn, ứng suất tới hạn theo Euler 105 40 Công thức tính lực tới hạn ứng suất tới hạn theo Iasinki 106 41 Tính tốn ổn định 107 42 43 Chương 9: Tính độ bền thẳng chịu ứng suất thay đổi Khái niệm chịu ứng suất thay đổi 44 Hiện tượng mỏi vật liệu 112 45 Chu trình đặc trưng chu trình ứng suất 112 46 Giới hạn mỏi 113 47 48 Các nhân tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi, biện pháp khắc phục Tính độ bền theo hệ số an tồn 49 Chương 10: Tải trọng động 119 50 Khái niệm tải trọng động 120 51 Tính ứng suất gây quán tính 120 52 Tài liệu tham khảo 125 111 112 114 117 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mô đun: SỨC BỀN VẬT LIỆU Mã mô đun: MH10 Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: + Sức bền vật liệu môn học kỹ thuật sở bố trí sau học sinh học môn: Cơ lý thuyết Vật liệu kim loại + Sức bền vật liệu cung cấp kiến thức cho môn chi tiết máy kỹ thuật chuyên mơn ngành - Tính chất: + Sức bền vật liệu môn khoa học kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực nghiệm + Là môn học thuộc môn học, mô-đun kỹ thuật sở bắt buộc Mục tiêu mơn học: - Trình bày khái niệm môn học như: biến dạng, nội lực, ứng suất, độ bền, độ cứng, độ ổn định chi tiết máy - Phân tích ý nghĩa đại lượng đặc trưng cho tính chất học vật liệu - Xác định phương pháp đưa chi tiết từ kết cấu thực sơ đồ tính phân tích thành loại biến dạng - Vẽ biểu đồ nội lực xác định mặt cắt nguy hiểm chi tiết - Vận dụng điều kiện bền, điều kiện cứng, điều kiện ổn định để giải ba tốn mơn sức bền vật liệu - Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập Chương trình khung nghề Cắt gọt kim loại Số Thời gian đào tạo (giờ) Mã tín Trong MH, Tên môn học, mô đun Tổng Lý Thực Kiểm số MĐ thuyết hành tra I Các môn học chung 18 435 157 255 23 MH 01 Chính trị 75 41 29 MH 02 Pháp luật 30 18 10 MH 03 Giáo dục thể chất 60 51 MH 04 Giáo dục quốc phòng - An ninh 75 36 35 MH 05 Tin học 75 15 58 MH 06 Ngoại ngữ (Anh văn) 120 42 72 Các môn học, mô đun II 106 2370 860 1411 99 chuyên môn ngành, nghề MH 07 Vẽ kỹ thuật 60 33 24 MH 08 MH 09 MH 10 MH 11 MH 12 MH 13 MH 14 MH 15 MH 16 MH 17 MH 18 MH 19 MĐ 20 MĐ 21 MĐ 22 MĐ 23 MĐ 24 MĐ 25 MĐ 26 MĐ 27 MĐ 28 MĐ 29 MĐ 30 MĐ 31 MĐ 32 MĐ 33 MĐ 34 MĐ 35 MĐ 36 MĐ 37 Autocad Cơ lý thuyết Sức bền vật liệu Dung sai – Đo lường kỹ thuật Vật liệu khí Nguyên lý – Chi tiết máy Kỹ thuật an toàn Bảo hộ lao động Tổ chức quản lý sản xuất Sức bền vật liệu Máy cắt máy điều khiển theo chương trình số Đồ gá Cơng nghệ chế tạo máy Thiết kế quy trình công nghệ Nguội Kỹ thuật điện – Điện tử công nghiệp Tiện trụ ngắn, trụ bậc, tiện trụ dài l10d Tiện rãnh, cắt đứt Gia công lỗ máy tiện Phay, bào mặt phẳng ngang, song song, vuông góc, nghiêng Phay, bào mặt phẳng bậc Phay, bào rãnh, cắt đứt Tiện côn Phay, bào rãnh chốt đuôi én chữ T Tiện ren tam giác Tiên ren vuông Tiện ren thang Phay đa giác Phay bánh trụ thẳng Phay bánh trụ nghiêng, rãnh xoắn Tiện CNC Phay CNC 3 60 60 45 45 45 60 20 46 34 34 41 50 38 12 8 2 3 30 28 2 30 45 19 34 60 50 5 45 39 75 64 60 14 43 45 37 90 16 71 3 30 75 16 24 56 3 90 15 72 2 45 45 45 8 10 35 35 33 2 75 20 52 3 2 60 60 60 45 60 13 11 11 45 47 47 36 50 2 2 2 45 15 28 3 75 75 7 65 65 3 MĐ 38 Tiện lệch tâm, tiện định hình Tiện chi tiết có gá lắp phức MĐ 39 tạp MĐ 40 Doa lỗ máy doa vạn MĐ 41 Thực hành hàn MĐ 42 Mài mặt phẳng MĐ 43 Mài trụ ngoài, mài ngồi Lập chương trình gia cơng sử MĐ 44 dụng chu trình tự động, bù dao tự động máy phay CNC MĐ 45 Ngoại ngữ chuyên ngành MĐ 46 Thực tập sản xuất Tổng cộng Chương trình chi tiết mơn học Số TT I II III IV V Tên chương, mục Những khái niệm chung Giới thiệu lịch sử môn học Nhiệm vụ đối tượng nghiên cứu môn học Các giả thuyết vật liệu Ngoại lực, nội lực, phương pháp mặt cắt ứng suất Các loại biến dạng Kéo nén tâm Khái niệm kéo (nén) tâm Ứng suất biến dạng Đặc trưng học vật liệu Tính tốn kéo (nén) tâm Cắt Khái niệm cắt Áp dụng vào mối ghép đinh tán tượng dập Đặc trưng học hình phẳng Khái niệm momen tĩnh Khái niệm momen quán tính Bán kính quán tính Xoắn túy 1.Khái niệm xoắn túy Ứng suất biến dạng mặt cắt trịn chịu xoắn Tính tốn xoắn túy 75 60 45 60 45 45 15 57 50 12 12 12 38 46 31 31 2 2 60 18 39 60 180 2805 40 18 1017 16 162 1666 122 2 2 126 Tổng số Thời gian Lý Bài thuyết tập Kiểm tra* 1 4 Uốn ngang phẳng Khái niệm uốn ngang phẳng Nội lực biểu đồ nội lực Định lý Gin – rap – sky PP vẽ nhanh biểu đồ lực cắt momen uốn Ứng suất dầm chịu uốn ngang phẳng Tính toán uốn ngang phẳng Biến dạng dầm chịu uốn VII Thanh chịu lực phức tạp Khái niệm chịu lực phức tạp Uốn xiên Uốn ngang phẳng kéo (nén) đồng thời Uốn xoắn đồng thời VIII Ổn định thẳng chịu nén tâm 1.Khái niệm ổn định, lực tới hạn ứng suất tới hạn Công thức tính lực tới hạn, ứng suất tới hạn theo Euler Cơng thức tính lực tới hạn ứng suất tới hạn theo Iasinki Tính tốn ổn định Tính độ bền thẳng chịu IX ứng suất thay đổi Khái niệm chịu ứng suất thay đổi Hiện tượng mỏi vật liệu Chu trình đặc trưng chu trình ứng suất Giới hạn mỏi Các nhân tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi, biện pháp khắc phục Tính độ bền theo hệ số an toàn X Tải trọng động Khái niệm tải trọng động Tính ứng suất gây quán tính VI Cộng 10 1 3 0 2,5 0,5 2,5 0,5 45 34 Điều kiện thực môn học: 3.1 Phòng học Lý thuyết/Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn 3.2 Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn, tranh vẽ 3.3 Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: Giáo trình, mơ hình thực hành 3.4 Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế tượng vật lý xảy trình cắt gọt kim loại Nội dung phương pháp đánh giá: 4.1 Nội dung: - Kiến thức: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kiến thức - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Trong trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu trước đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học + Nghiêm túc trình học tập 4.2 Phương pháp: Người học đánh giá tích lũy mơn học sau: 4.2.1 Cách đánh giá - Áp dụng quy chế đào tạo Cao đẳng hệ quy ban hành kèm theo Thơng tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13/3/2017 Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh Xã hội - Hướng dẫn thực quy chế đào tạo áp dụng Trường Cao đẳng Cơ giới sau: Điểm đánh giá + Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) + Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) + Điểm thi kết thúc môn học Trọng số 40% 60% 4.2.2 Phương pháp đánh giá Phương pháp Phương pháp đánh giá tổ chức Hình thức kiểm tra Chuẩn đầu đánh giá Số cột Thời điểm kiểm tra 111 CHƯƠNG IX: TÍNH ĐỘ BỀN CỦA THANH CHỊU ỨNG SUẤT THAY ĐỔI Giới thiệu: Trong thực tế nhiều chi tiết máy cơng trình tác dụng tải trọng ứng suất mặt cắt ngang biến đổi theo thời gian Ví dụ: Trục xe tàu hỏa quay tải trọng không đổi, dàn cầu đoàn tàu chạy qua Mục tiêu: - Hiểu khái niệm: ứng suất thay đổi, chu trình ứng suất, chu kỳ tần số, tượng mỏi, giới hạn mỏi; - Kiểm tra độ bền chịu ứng suất thay đổi theo hệ số an toàn; - Rèn luyện cho người học tính cẩn thận, xác, tư logic.Phương pháp giảng dạy học tập - Đối với người dạy: Sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); Đối với người học: Chủ động đọc trước giáo trình trước buổi học Điều kiện thực học - Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Phịng học chun mơn - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu thiết bị dạy học khác - Học liệu, dụng cụ, ngun vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, tài liệu liên quan - Các điều kiện khác: Khơng có Kiểm tra đánh giá học - Nội dung:  Kiến thức: Kiểm tra đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kiến thức  Kỹ năng: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kĩ  Năng lực tự chủ trách nhiệm: Trong trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu trước đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học + Nghiêm túc trình học tập - Phương pháp:  Điểm kiểm tra thường xuyên: điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng) 112  Kiểm tra định kỳ lý thuyết: khơng có Nội dung chính: KHÁI NIỆM VỀ THANH CHỊU ỨNG SUẤT THAY ĐỔI Đã từ lâu người ta nhận thấy chi tiết chịu ứng suất thay đổi theo thời gian thường bị phá hủy đột ngột (khơng có biến dạng dư làm vật liệu dẻo) với ứng suất thấp so với giới hạn bền vật liệu sau thời gian dài chịu đựng chi tiết bị phá hủy cách đột ngột Hiện tượng gọi tượng mỏi vật liệu HIỆN TƯỢNG MỎI CỦA VẬT LIỆU Hiện tượng mỏi đặc biệt ý kỹ thuật Khoảng 90% chi tiết máy bị hỏng ngun nhân mỏi.Vì tính toán chi tiết chịu ứng suất biến đổi, cần kiểm tra độ bền mỏi chúng Hiện tượng vật liệu bị phá hỏng ứng suất biến đổi theo thời gian gọi tượng mỏi vật liệu CHU TRÌNH VÀ ĐẶC TRƯNG CHU TRÌNH ỨNG SUẤT 3.1 Chu trình Quá trình biến đổi ứng suất theo thời gian, qua hai giá trị lặp lại giá trị ban đầu, gọi chu kỳ ứng suất Thời gian thực chu trình chu kỳ, ký hiệu T 3.2 Đặc trưng chu trình ứng suất Gọi pmax, pmin già trị lớn nhỏ ứng suất (có thể  τ tùy theo loại biến dạng), ta có đại lượng: ptb  pmax  pmin (9-1) Trong đó: ptb gọi ứng suất trung bình * Biên độ chu trình hay biên độ ứng suất tính bằng: pbđ  p max  pmin 0 (9-2) Biên độ ln ln có giá trị dương Từ (9-1) (9-2) ta có: pmax  ptb  pbđ   pmin  ptb  pbđ  (9-3) Chu trình pmax= -pmin gọi chu trình đối xứng; chu trình có pmax ≠ -pmin gọi chu trình khơng đối xứng Chu trình có pmax pmin gọi chu trình mạch động 113 Tỷ số: r  pmin gọi hệ số khơng đối xứng chu trình pmax Theo định nghĩa: - Khi r = -1: chu trình đối xứng - Khi r = 1: chu trình - Khi r = 0: chu trình mạch động(dương) - Khi r = -  : chu trình khơng đối xứng(âm) GIỚI HẠN MỎI Giới hạn mỏi trị số lớn ứng suất biến đổi tuần hoàn mà vật liệu chịu đựng so với chu trình khơng hạn định, khơng xuất vết nứt mỏi p Để tính độ bền mỏi chi tiết người ta phải làm thí nghiệm pr p= p(N) xác định giới hạn mỏi vật liệu ứng pB với chu trình có hệ số đối xứng khác Đó giá trị lớn ứng pr suất biến đổi tuần hồn mà vật liệu có O Ni Nr N thể chịu với số chu trình khơng hạn định mà khơng xuất vết Hình 9-1 nứt mỏi Gọi Nr số chu trình mà vật liệu chịu đựng (cho đến hỏng) với ứng suất pr; thực nghiệm người ta lập biểu đồ p = p(N) - gọi biểu đồ mỏi (hình 9-1) Giá trị ứng suất ứng với đường tiệm cận đường cong mỏi coi giới hạn mỏi pr (vì ứng suất lớn mà vật liệu chịu đựng với số chu trình vơ hạn mà khơng bị hỏng) Thực nghiệm cho thấy với loại vật liệu, có số chu trình Nr mà vật liệu chịu chịu đựng mãi, nghĩa với N >Nr Đối với thép Nr= 107, với kim loại màu Nr= 20.107 Giới hạn mỏi vật liệu ký hiệu với số không đối xứng r Giới hạn mỏi uốn đối xứng thép thường bằng: (9-4)  u1  0,4. B k, n Các giới hạn kéo(nén) đối xứng (  ) xoắn đối xứng (  1k , n ) tính theo cơng thức:  1k , n  0,7 1u  0,28 B    1k , n  0,55 1u  0,22 B  Đối với kim loại màu (9-5) 114  u1  0,25  0,50. B (9-6) CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIỚI HẠN MỎI, CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 5.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi Thực nghiệm cho thấy giới hạn mỏi không phụ thuộc vào hệ số không đối xứng chu trình mà cịn phụ thuộc nhiều vào thơng số khác nữa, tập trung ứng suất, chất lượng bề mặt, kích thước tuyệt đối chi tiết, Để xét đến ảnh hưởng thơng số đó, người ta dùng hệ số thực tế αr tỷ số giữ giới hạn mỏi p-1 mẫu thử có đường kính d = 7÷10 mm, bề mặt đánh bóng, với giới hạn mỏi p-1t chi tiết thực tế: r  p1 1 p1t (9-7) Như vậy, giới hạn mỏi chi tiết thực tế làm việc theo chu trình đối xứng bằng: p1t  p1 r (9-8) Hệ số αr tích số hệ số a Ảnh hưởng tập trung ứng suất Ở nơi có thay đổi đột ngột kích thước nơi lắp ghép căng có tượng tập trung ứng suất  max   tb Sự tập trung ứng suất có ảnh hưởng đến độ bền mỏi vật liệu Vì tính tốn người ta đưa hệ số k gọi hệ số tập trung ứng suất thực tế Nếu ứng suất biến đổi ứng suất pháp có kσ Nếu ứng suất biến đổi ứng suất tiếp có kτ k  moi 1  moi ( k ) (9-9) Trong đó: σmoi giới hạn mỏi chi tiết khơng có yếu tố tập trung ứng suất σmoi(k) giới hạn mỏi chi tiết có tính đến yếu tố tập trung ứng suất b Ảnh hưởng trạng thái bề mặt Bề mặt chi tiết rắn, cứng giới hạn mỏi vật liệu tăng, khó phát sinh vết nứt vi mô Nếu gọi ε1 hệ số ảnh hưởng chất lượng bề mặt chi tiết đến độ bền mỏi, ta có: 1   m   1 m (9-10) 115 c Ảnh hưởng kích thước chi tiết Kích thước chi tiết lớn giới hạn mỏi thấp Vì chi tiết to khuyết tật nhiều dễ gây nên vết nứt vi mô Độ sâu tương đối bề mặt biến cứng gia công chi tiết nhỏ lớn chi tiết lớn Kết luận: Ba yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi vật liệu là: k 1 Các hệ số xác định thực nghiệm có sổ tay kỹ thuật 5.2 Các biện pháp khắc phục + Biện pháp thứ Dùng vật liệu có giới hạn bền cao, có độ dẻo đủ, đồng chất hạt nhỏ, khơng có ứng suất dư, bọt khí, khơng vết nứt Thường người ta dùng loại thép hợp kim để chế tạo chi tiết máy chịu ứng suất biến đổi thép 40X, 40XH, 45X, + Biện pháp thứ hai Hình dạng chi tiết máy bên hợp lý tránh chuyển tiếp đột ngột để giảm bớt tập trung ứng suất cách chế tạo bán kính góc lượn vát mép vị trí chuyển tiếp + Biện pháp thứ ba Làm cho bề mặt chi tiết có độ nhẵn cao, cứng biện pháp công nghệ phù hợp như: Mài, phun bi, cán lăn nhiệt luyện TÍNH ĐỘ BỀN THEO HỆ SỐ AN TỒN Khi tính độ bền mỏi chi tiết, người ta thường so sánh hệ số an toàn nr (giữa chu trình cho trước chu trình đồng dạng với nó) với hệ số an tồn cho phép n theo điều kiện: nr  n (9-11) 6.1 Trường hợp chi tiết chịu uốn (ứng suất biến đổi ứng suất pháp) n  k 1  1  bđ     tb  n (9-12) 6.2 Trường hợp chi tiết chịu xoắn n  k 1  1  bđ     tb  n  6.2 Trường hợp chi tiết chịu uốn xoắn đồng thời (9-13) 116 Trường hợp uốn xoắn biến đổi đồng thời, ứng suất pháp ứng suất tiếp thay đổi đồng bộ, áp dụng giả thuyết ứng suất tiếp lớn hay giả thuyết biến đổi hình dáng lớn để suy cơng thức tính hệ số an tồn nr sau: 1   2 n n n 2 n  Hay: n n (9-14) n2  n2 Trong đó: n hệ số an tồn mỏi uốn n hệ số an toàn mỏi xoắn n hệ số an toàn mỏi uốn xoắn đồng thời σ-1 τ-1 giới hạn mỏi uốn xoắn chu trình đối xứng ψσ ψτ hệ số vật liệu σbđ τbđ ứng suất biên độ σtb τtb ứng suất trung bình kσ kτ hệ số tập trung ứng suất ε1 ε2 hệ số ảnh hưởng trạng thái bề mặt kích thước chi tiết [n] hệ số an toàn cho phép; [n] = 1,5 ÷ 2,5 Ví dụ: Trục AD chịu lực biểu đồ nội lực (Hình 9-2) Hãy xác định hệ số an tồn vị trí lắp bánh (mặt cắt qua C) biết trục làm thép 45 có σB= 600MN/m2; σ-1= 250MN/m2, τ-1 = 150MN/m2 k k  2,52 ; hệ số 1 1 vật liệu ψσ = 0,1 ψτ = 0,05; dc=50mm Trục quay chiều có Mzmin = 0; σtb= 0,23MN/m2 ; Wu=10650 mm3; W0=22900mm3 = 3,36 ; A B Mz C Pa P 263281Nmm Mz Bài làm Mặt cắt qua điểm C trục chịu uốn xoắn đồng thời Vậy hệ số an tồn D N 54405Nmm 6210Nmm Mx tính theo cơng thức: 82215Nmm My Hình 9-2 117 n n n  n2  n2 Trong đó: n   1 k 1 n   1 k 1  bđ   bđ   bđ     tb  n   max    max    bđ     tb  n Mu  Wu 54405  82215  9 MN / m 10650  (9)   max  MN / m 2 Trục quay chiều có Mzmin =0  τmin =0  bđ   tb   max  Mz 263281   5,7 MN / m2 2W0 2.22900  bđ  5,7 MN / m Thay số liệu vào công thức ta có: n  n  250  8, 26 3,36.9  0,1.0,23 150  10,23 2,52.5,7  0,05.5,7 Vậy hệ số an toàn mặt cắt qua C là: n  8,26.10,23 8,262  10,232  6,42 118 CÂU HỎI ÔN TẬP Khái niệm chịu ứng suất thay đổi? Trình bày tượng mỏi vật liệu? Chu trình đặc trưng chu trình ứng suất? Giới hạn mỏi gì? Các biểu thức xác định giới hạn mỏi? Các nhân tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi, biện pháp khắc phục? Viết cơng thức tính độ bền theo hệ số an toàn trường hợp chi tiết chịu uốn, xoắn, uốn xoắn đồng thời? 119 CHƯƠNG X: TẢI TRỌNG ĐỘNG Giới thiệu: Trong chương trước tải trọng xét tải trọng tĩnh, tức ta coi ngoại lực tác động tĩnh lên mơ hình khảo sát Chúng tăng cách chậm chạp, đặn từ giá trị đến giá trị cuối từ trở khơng đổi biến đổi khơng đáng kể theo thời gian Trong thực tế cịn có tải trọng tác dụng coi tĩnh tải trọng tác dụng đột ngột biến đổi theo thời gian, theo quy luật khác gây gia tốc lớn Ví dụ: Những tải trọng xuất va chạm vật lên máy chi tiết máy, tải trọng nổ, Mục tiêu: - Trình bày khái niệm tải trọng động, ảnh hưởng tải trọng động đến làm việc chi tiết máy; - Giải thích phương pháp tính chịu tải trọng động cách đưa tải trọng tĩnh ; - Rèn luyện cho người học tính cẩn thận, xác, tư logic Khái niệm tải trọng độngPhương pháp giảng dạy học tập - Đối với người dạy: Sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); Đối với người học: Chủ động đọc trước giáo trình trước buổi học Điều kiện thực học - Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Phịng học chun mơn - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu thiết bị dạy học khác - Học liệu, dụng cụ, ngun vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, tài liệu liên quan - Các điều kiện khác: Khơng có Kiểm tra đánh giá học - Nội dung:  Kiến thức: Kiểm tra đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kiến thức  Kỹ năng: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kĩ  Năng lực tự chủ trách nhiệm: Trong trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu trước đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập 120 + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học + Nghiêm túc trình học tập - Phương pháp:  Điểm kiểm tra thường xuyên: điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)  Kiểm tra định kỳ lý thuyết: khơng có Nội dung chính: 1.1 Khái niệm Những tải trọng tác dụng đột ngột biến đổi theo thời gian gọi tải trọng động Một cách tổng quát, ta gọi tải trọng gây gia tốc có trị số đáng kể xét tải trọng động Tải trọng động tác dụng lên hệ thay đổi cách đột ngột biến đổi theo thời gian nên biến dạng chuyển vị hệ thay đổi theo thời gian nên hệ có xuất lực qn tính Tải trọng động tải trọng thay đổi theo thời gian trị số, phương, vị trí, gây ứng suất, chuyển vị …cũng thay đổi theo thời gian Dựa vào đặc tính tải trọng động ta chia làm loại sau: + Do chuyển động có gia tốc gây nên: + Do dao động gây nên + Do va chạm gây nên 1.2 Phân loại tải trọng động - Bài tốn chuyển động có gia tốc khơng đổi ω = const Ví dụ: Chuyển động thang máy, vận thang xây dựng, nâng hạ vật nặng, trường hợp chuyển động tròn với vận tốc góc số vơ lăng trục truyền động - Bài tốn có gia tốc thay đổi hàm xác định theo thời gian ω = ω (t) Trường hợp gia tốc thay đổi tuần hồn theo thời gian, gọi dao động Ví dụ: Bàn rung, đầm dùi, đầm bàn để làm chặt vật liệu, toán dao động máy cơng cụ, - Bài tốn chuyển động xẩy nhanh thời gian ngắn, gọi tốn va chạm Ví dụ: Phanh cách đột ngột, đóng cọc búa, sóng đập vào đê đập chắn Tính ứng suất gây qn tính 2.1 Bài tốn 121 Một vật nặng có trọng lực P kéo lên theo phương thẳng đứng với gia tốc không đổi a dây cáp có mặt cắt F chiều dài l Trọng lượng thân mét dây q (KN/m) (hình 10-1) Xác định lực dọc (lực căng) mặt cắt (m-n) dây cáp Biết: - Trọng lực vật nặng P - Trọng lực dây q.z - Lực quán tính trọng lực P có giá a trị P g - Lực quán tính trọng lực dây a có giá trị q.z g a a P  q.z Fqt  P  q.z  a g g g Ta có: Nd m l n z a P P F qt Hình 10-1 - Lực dọc động Nd mặt cắt ngang (m-n) xét Theo nguyên lý d`Alembert: Tổng hình chiếu tất lực tác dụng lên dây theo phương thẳng đứng kể lực qn tính phải khơng Ta có phương trình cân bằng: N d  q.z  P  Fqt   N d  q.z  P  Fqt  N d  q.z  P  q.z  P a g Do đó:  a N d  1  .P  qz   N d  kd P  qz   g  N d  kd Nt Trong đó:  a kd  1   -là hệ số tải trọng động (hệ số động lực)  g Khi gia tốc a =0, ta có kd = Nd = Nt= P + qz, nghĩa khơng có gia tốc, nội lực động Nd nội lực tĩnh Nt Ta biểu diễn ứng suất động  d qua ứng suất tĩnh sau: 122  d  k d  t (10-1) Qua công thức (10-1) ta thấy nâng vật lên với gia tốc a ứng suất động dây vượt ứng suất tĩnh vài lần, tùy thuộc vào độ lớn quy luật biến thiên a Đặc biệt hiệu ứng động lực nguy hiểm cho dây cáp vật lên với gia tốc a bị phanh đứng lại * Trong toán ta có hai trường hợp xảy ra: + Khi vật chuyển động lên nhanh dần chuyển động xuống chậm dần (gia tốc a hướng lên, lực quán tính hướng xuống) ta thấy hệ số động lớn một, nội lực động lớn nội lực tĩnh + Khi vật chuyển động lên chậm dần nhanh dần chuyển động xuống nhanh dần (gia tốc a hướng xuống, lực quán tính hướng lên) ta thấy hệ số động nhỏ một, nội lực động nhỏ nội lực tĩnh 2.2 Rút phương pháp nghiên cứu tải trọng động 2.2.1 Đặc thù toán động Bài toán tĩnh: Nội lực xác định từ cân với ngoại lực, khơng cần dùng đường đàn hồi nên mang tính chất đơn giản Ứng suất chuyển vị không phụ thuộc thời gian Bài toán động: Ngoại lực bao gồm lực quán tính phụ thuộc vào đường đàn hồi y = y(x,t) Vì vậy, dẫn tới phương trình vi phân, phức tạp tốn học, khối lượng tính lớn, phải việc xác định y(x,t) Nhận xét: Bài toán tĩnh (bao gồm toán ổn định) trường hợp đặc biệt toán động lực quán tính bỏ qua Để thuận tiện cho việc tính tốn cơng thức thiết lập tính tốn cho vật Hình 10-2 chịu tải trọng động thường đưa tương tự toán tĩnh nhân với hệ số điều chỉnh nhằm kể đến ảnh hưởng tác dụng động gọi hệ số động 2.2.2 Các phương pháp rời rạc hóa a Phương pháp khối lượng thu gọn (Lumped Mass) Thay hệ có khối lượng phân bố (a) thành khối lượng tập trung (b) theo nguyên tắc tương đương tĩnh học Đây phương pháp thường dùng hệ kết cấu phức tạp Khối lượng thường thu gọn điểm nút (thí dụ hệ dàn) 123 Hình 10-3 b Phương pháp dùng tọa độ suy rộng (Generalised Coordinates) Giả sử đường đàn hồi tổ hợp tuyến tính hàm xác định ψi(x) có biên độ Zi sau:  y x, t    Zi t  i x  i 1 (*) Trong đó: ψi(x): Hàm dạng Zi(t): Tọa độ suy rộng Hàm dạng ψi(x) tìm từ việc giải phương trình vi phân đạo hàm riêng, giả thiết phù hợp với điều kiện biên Khi tính tốn thường giữ lại số số hạng chuỗi (*) hệ trở thành hữu hạn bậc tự (Zi đóng vai trị bậc tự do) Hình 10-4 124 CÂU HỎI ƠN TẬP Khái niệm tải trọng động? Tính ứng suất gây qn tính, tốn? Các phương pháp nghiên cứu tải trọng động? 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Việt Cương- Nguyễn Nhật Thăng- Nhữ Phương Mai Sức bền vật liệu Tập 1+2 Nhà xuất KH-KT 2002 Bùi Trọng Lựu- Nguyễn văn Vượng Bài tập Sức bền vật liệu Nhà xuất giáo dục 2005 Lê Quang Minh- Nguyễn Văn Vượng Sức bền vật liệu Tập 1+2 Nhà xuất giáo dục 1999 Th.s Bùi Thi Thoi Sức bền vật liệu Nhà xuất LĐ- XH 2006 GS-TS.Đỗ Xanh Giáo trình Cơ kỹ thuật Nhà xuất giáo dục 2005