Sức bền vật liệu tập 1 đặng việt cương, nguyễn nhật thăng, nhữ phương mai

L : Ẳi TH Ư V IỆ N DẠI HỌCTHUỲSẢN CB A ĐẶNG VIỆT CUONG NGUYỄN NHẬT THẢNG NHỮ PHƯƠNG MAI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH K H O A HÀ NỘI Đ Ả N G V IÊ T CƯƠNG - NG UYẺN N H ẶT TH À N G ٠NHỮ P H Ư Ơ N G M AI SỨC BỀN VẬT LIỆU TÂP NH À XUẤT BẢN KHOA HỌ C VÀ KỸ TH U Ậ T HÀ NÒI - 2002 Chịu trách nhiêm xuất PGS TS TÔ ĐĂNG HẢI Biên tập NGUYỀN THI NGOC KHUÊ NGUYỄN HÓNG THANH Sửa in HỔNG THANH Trình bày bìa HƯƠNG LAN NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 TRẤN HƯNG ĐAO HÀ NỘI ' ٠ ٠ •٠ 605 1380-9-2 001 KHKT-2002 In 1000 khổ 19 X 27 cm, Nhà in Đại học Quốc gia Hà Nội, 16 Phố^ Hàng C huôi Giây phép xuất sô^ 1380 - - 6/11/2001 In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2002 LÒI NGƯÒI BIÊN SOẠN S ứ c b ên v ậ t ỉiệ u ỉà in ộ t niôn k h o a h ọ c th ự c n g h iệ m th u ộ c k h ố i k ỷ th u ậ t c s trong' trư ờng' đ i h ọc k ỳ th u ậ t củ a n c ta M ụ c đ íc h m ô n h ọ c n h ầ m cung' cấ p nhừng' k iế n th ứ c cẩ n t h i ê ì v ề tá c dụng' h ọ c trong' đ ể g i ả i q u y ế t cắc vấn đ ề th ự c t ế liê n q u a n tớ i c c k h ấ u từ th iế t k ê 'đ ế n ch é tạo đ ê p h ụ c vụ ch o v iệ c n g h iê n cứu cấ c m ôn h ọ c ch u y ê n n g n h k h c tr o n g lĩn h vự c c k h í v ả x â y dự n g N g y n a y , s ự b ù n g n ổ th ô n g tin th n g x u y ê n tr o n g k ỷ th u ậ t vầ đ i sô n g ' d â lầ m n ả y s in h n h n g m â u th u ẫn g iừ a q u ỳ th i g i a n k h i th ự c h ả n h g i ả n g d y m ôn h ọ c n ả y vớ i n ộ i d u n g cẩn tr u y ề n đ t, v i y ê u cẩu c ậ p n h ậ t p h ắ t tr iể n n h ữ n g tín h to ẩ n c h ín h x ắ c n h n g h iệ n đ i d ể cho p h é p n â n g cao d ộ làm v iệ c tin c ậ y , đồn g' th i g i ả m tr ọ n g ỉư ợ n g cá c m ả y m ó c c ô n g trin h V ới m ụ c đ íc h h o n th iệ n h n n a n ộ i d u n g đ ầ o tạ o vả k h ắ c p h ụ c n h n g m â u th u ẫ n n ó i , đ n g th i g iâ m b t k h ó k h n ch o n g i h ọ c, g i ú p cá c cẩn t r ẻ m i bước o n g h ề c ắ c k ỳ s d a n g h o t đ ộ n g tr o n g cá c lĩn h vự c c ô n g n g h lêp , c h ú n g tô i th â y c ẩ n t h i ế t p h a i g iớ i tỉiiộ u сио'п "Sức v ậ t liệu'' cùng' b n đọc C uốn "Sức b ền v ậ t liệu" đưực b iê n so n th àn h h a i tập: tậ p từ c h n g đ ế n c h n g 8, tậ p từ ch n g đến ch n g 16 vả đ ợ c p h â n c ô n g b iê n s o n n h sau: PGS TS Đ ặ n g V iệt C ng v i ê ỉ cá c ch n g 1, 2, 4, 11, 14, 15, 16, §8 ch n g p h ụ lụ c tậ p TS N g u y ễ n N h ậ t T h n g v iế t cấc ch n g 3, 5, 7, 8, 9, § c h n g p h ụ lụ c tậ p TS N h P h n g M v i ế t cá c ch n g 10, 12, 13 v ề n ộ i d u n g , cu ốn sá ch dư ợc b iê n so n n h ằ m đ p ứ n g n h u cẩu v ề h ọ c d y p h ù hỢp vớ i n h u cẩu m ô n h ọ c h iệ n h àn h t r o n g cá c tr n g đ i h ọ c C h ú n g tô i k h ô n g th a m v ọ n g tr ìn h b ầ y đ ầ y đ ủ m ọ i k h ía c n h vô.n r ấ t piioiig p liii va cla dạng, sứ c hển v ậ t J‫ ؛‬ộn R ấ t ín on g n h ậ n đưỢc s i t g.óp ý k iê n phC h ìn h tấ t cá c hạn s d ụ n g ‘ đ ọ c ciion sá cỉi n ày X in clĩàiì th ầ n ỉì cẳm ơn N hà x iiâ t bẩn, c c b n d ổ n g ١ n g h iệ p tận tin h g iU p đ k h ‫ ؛‬ch lệ chíìng tỏ i h o n th n h cu ô n sá ch n ày ١ c g i، C c t ،‫؛‬ Chương ỉ NHŨNG KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU Nhií nói phần "Lời người biên soạn", giáo trình ta xét tác dụng học vật rắn thực sinh tác dụng §1 MÒ HỈNH NGHIÊN cứu Trong giáo trình này, mô hình vật rắn biến dạng tập hợp chất điổm có tính chất sau: vế mặt vật lý a U êỉì tục, đồĩUị chất vù dấỉìiị hướn^ Vật rắn gọi có cấu tạo liên tục phân tố bé tuỳ ý chứa vố số chất điểm cho vật thể lỗ rỗng gọi đồng lính chất lý lại điểm đổu gọi đẳng hướng tính chất lý nổ theo phương đổu Những vật kim loại hỢỊ) kim thường dùng kỹ thuật vật có thổ xem liên tục, đẳng hướng Những vật gỗ, tre V.V vật không đẳng hướng tính chất chúng theo phương khác b Đàn hồi tuyến tỉnh, hiến dạriíỊ chuyên vị bé Dưới tác dụng ngoại lực, vật rắn thực bị biến dạng, nghĩa biến đối hình dạng kích thước, ngoại lực làm thay đổi vị trí tương đối vốn có phân tử cấu tạo nên vật rắn Lực liên kết vốn có phân tử để giữ cho vật rắn có hình dạng định, lúc đó, tăng lên, với xu hướng khôi phục lại vị trí ban đầu phân tử Độ tăng lực liên kết gọi lực đàn hổi hay nội lực Vật íiil đirc.íc g4١i la đàn hổi (hay rõ han, đàn hổi tnyột đố'i) пси nỏ cỏ khii папц phiỊc hổi hoan toan hình đạng kích Ihirức vOn san kh‫ ؛‬ngoại ỉực thớỉ tílc di.ing hiến ciạng đưi;c khỏi phr.ic hoàn toan san hết ngogi lực gọi la hiCn dang dan hổi Trong tJn.rc tế khỏng cố vật dàn hổi tnyệl dổi Đc٠ M với nhiổn Ví)t rán, rtgOi^i It.rc chưa vư^l t)uá nìột eiclfi hạn dinh Ihì hiến dạng cíia !à hiến dạng dan hồi, íi.rc vượt ‫ ذﻵ(؛ة‬hi)n dỏ thỉ vội khoi phục nìột phin hiCn dgng Phần hiốn dạng khOng khồi phpc dtư^c gọi ta hiến dạng dco híty hiến dạng dư Vật dần hổi InyCn tinh ta vật ma hiến dạng dàn hổi tỷ tệ hậc với nội ІІ.ГС Những vật dàn hổi khác dư^.ĩc gọi la vật dàn hổi phi tuyến Trong số hài toán, hiến dạng hổ, cd thể xem diổm dạt ngot‫ﻟﻢ‬i Irrc dd, vị tri tưong dổì cíia ngogi lực ta không thay dổi vật hị hiti'n dgng Tinh chat cítng Viti tinh chất tuyê'n tinh nOi cho phép khắng định nội li.tc hiíín dạng ta ham bậc (tuyến tinh) cùa ngoại lt٠ rc, nới mọt cách khác, chúng khOng phụ thuộc trinh tự dạt lực tác dụng co học Cíi lìC Urc hằnc tổng tác dụng co học trortg lực hệ Đó la nội dung cha nguyCn ty độc lập lác dụng cha lực ‫ي‬ ỏ) c) Hlnh 1.1 ٥ Ví dụ dối VỚI dẩm chịu lực trôn hình 1-1 a, độ vOng điểm K tác dt.tng thời hai lực P| ?: f Theo nguyên ly dộc lập tấc dụng độ vOng bằng: f= f]+ f٦ Trong dó fj f٦la độ vOng K lực Pj va P^ tác dụng dộc lập gây (hlnh 1-1 b, c) Ta hicu chuyổn vị hiến dạng bé sau: Bicn dạnu xem bé nhó đến mức cỏ Ihc uiái Ihích nổ dại lượng vô be Các Ihành phần vccttí chuyên vị rấl be so vơi kích thước cùa vật ĩhc, thân đạo hàm bậc chuyến vị theo cúc toạ độ nhó so với đoín vị Trong lính toán cỏ the htyqua tích bình phưtmu cúa dạo hàm hậ، cúa chuyển vị chúnu đại lượng vỏ bé bậc cao vể mặt hình học Vồ mạt hình học١vật thể nghiôn cứu có dạng sau đây: a) Khối vật thể có theo ba phương lương đương 1-2 a) b) Tâm mô hình kích thước (trực giao) (hình ve) vó mô hình củạ vật Ihể có kích thước theo hai phương lớn so với phương thứ ba (hình 1-2 b, c) c) Thanh mô hình Hỉnh 1.2 vật thổ có kích thước theo phương lớn so với hai phương (hình 1-2 d, c) Trong giáo trình này, mô hình khảo sát chủ yếu mô hình với tính chất (a) (b) nôLi phần Từ vé sau ta sè gọi tắt đàn hí1i tuyến tính Phần lớn chi tiết máy kết cấu kim loại thường găp mổ hình hoá thành đàn hổi tuyến tính Đối với mổ hình thanh, ta íhôm định nghĩa sau đây: • Thanh hình khối hình phăng F vạch F di động không gian cho trọng tâm o chuyển động đường cong định F luôn vuông góc với đường cong • Q٧ỹ đạo trọng tâm o gọi trục F gọi mặt cắt ngang (hay tiết diện) cứa ٠ Một gọi thẳng trục đường thẳng gợi cong trục đường cong (hình 1-3) §2 CÁC DẠNG TẢI TRỌNG VÀ sơ Đ ổ HOÁ KẾT CẤU Các dạng tảỉ trọng Cổ nhiều nguycn nhân gây hiến dạng ĩr.ng hẹ tải trọng, thay cĩổi nhiột độ v i chuyển vị crrdn^ hức liCn kết V.V Tr.ng gláư trinh n‫؛‬،y la ٩uan irmi nhi‫ ااة‬tai nguyCn nhan í ì ) hiến dang ỉ ngơại Irrc (lải tr(.)ng ngcài) Ngoại ỉi.rc tác dụng len chi ìiếl máy cấu k‫؛‬ộn c(٦ng trinh dược phồn thành loại sau dây: I (c ịập triing', Nếu ngoại Itrc tác dụng Icn cOng trinh dơn vị diộn lích rít so với hồ mặt kết cấu ihì ta quy ước coi ngogi lực dd tập trung lại n\ộl diCm Đơn vị nO kN) M N KG) I Áp Itrc hánh xe lửa len dường rsy, áp Itrc viên hi Iruyển len ổ 1Í١loại lực nàv /٠ //(■ plỉúĩì hố: Ne'ulựciruyổn lên vật thể diện tích dtl lớn (dể khOng dược phCp xem 1‫ﻷ‬ lực tập trung) thi ta gọi đổ lực phân bố theo bề mặt' hìnli 1-4 a Thứ nguyen cUa nd lực iren chiều dài hình phương: KG/cnỉ2, T/m2 hoạc Ọị kN/mZ ơ) ẫ ề kN/cỉìì2, MNhi}2 Áp It.rc chất Ihng tác dụng len thành thùng chita, áp It.rc gid tác dụng lên than cánh máy bay lực thuộc loại b) dz Trong thực te' kỹ thuật nhiồu cần phải thay the' tải trọng phân bố iren dải diện tích hẹp tải irt.ing phân bổ theo dường (hình 1-4 b), với cường độ là: c) ‫ق‬ ‫ه‬ q = qi-b, Thứ nguyên tíii tr^ng phan bố theo dư(١ng lực tren chiổu dài: Thìì) KGhìì Hlnh 1.4 M N Im ١ kN!m Hc;fp li.rc lải trọng phân bố theo mOl quy luật dưực xấc dinh tổỉg vổ hạn cấc lực sơ cíp q(z,)dz sau dãy (hlnh 1-4 c): h R : Íq(z)d7 a Biểu thức n^v chứiìg tố hợp lưc R cUa lực phân bố theo dường bàng ditn tích gỉứi hạn dường cong q(z) đoạn chiồu dài dẩm đổ q(z) dạt vào Mỏmcn cúa tái trọng phân bó đối vói diếm dó xác dịnh bới tốnc mốmen lực sơ cấp C](z)dz: h M - Jq(z)/d/ ١ Tron hình 1-4 c, / khoám: cách lừ lưc S(٢ cấp q (/)d / đến nuàm p Pa 0) Ngt)ài ta hay eặp tải trọng ngoai dạna từmỉ cạp lực tập Iruna (hình ỉ -5 a) lực phán bỏ' (hình 1-5 b) Đổ ngẫu lực t(ip trung phân bố tương ứnu cổ giá trị iTìômcn lổng cộnu là: M = p.a; p b) /77kN/m^ rcin T ٠JJ-J-J h M = j m(z)dz ،١ Hlnh 1.5 Tùy ihco tính chất thay đổi tai Irọne Ihco thời uian ta chia lải trọng thành tải trọng lĩnh động sau: • Tái trọng tĩnh lai trọng đạt lên kết cấu thay đôi chậm chạp đến mức kết cấu chuycn vị điổm ٤ ١ ia tốc, nghĩa có thổ bỏ qua lực quán tính sinh kết cấu chuyển động • Khác với lải trọng lĩnh, lải trọng động cổ đặc điổm đô lớn vị trí nố bị thay đôi khoáng thời gian ngắn Nói cách lổng quát tải trọng gãy gia tốc đáng kể kết cấu chuyển động tải trọng động ٠ Tuỳ thuộc vào thời gian tác dụng lải trọng lên hẹ, ta chia tải trọng thành liii trọng thường xuyên lải trọng tạm thời ٠ Tái trọng lác dụng liên tục iôn hộ suốt thời gian phục vụ gọi lái irọníì thường xuycn Ví dụ, trọng lượng thân hộ Tải trọng tạm thời lải trọng cỏ thời gian lác dụng lôn hộ không lâu Ví dụ, áp lực xe lửa lên cầu, trọng lượnu hàng đạt lên ô tô ô tổ chở hàng, lái Irụna thi công V.V • Ngoài lực tác dụng lôn bể mạt vật thể nghiên cứu ta hay gạp lực the tích Đó lực phân bố loàn thể tích vạt thổ Trọnu lượng thân vật thế, lực quán tính, lực từ điện trường lực thuộc loại Sơ dồ hoá kết cấu Đe cổ thể tính toán chi tiết máy hoạc cấu kiện kết cấu, trước hết cần phai thiết lập sơ đổ lính, v sau tất tính toán cần thiết tính toán trẽn đổ Trên hình 1-6, 1-7 hai sơ đổ tính rút từ hai dầm thực tương ứng l-a ỉ+ a 2 Vơ + t2 < |ơ || hay: ٠ id - - ٥ ٠ < lơ w trưng đố: a ‫ ؛‬- ứng suaì ngny hiểm k^ư‫؛‬ ٠‫ ا'إ‬- ứng suất nguy h‫؛‬ểm khl nén V í dụ Một trục truyền mang ha‫ ؛‬puli I It (hỉnh 8-17) ۶uli I dược kéo hởi dộng co cO cOng suit w : kW số vOng quay n = 200 v/plì t)ường kinh puli D = 400 Ỉ ) W Ì Dựa vào thuyít bổn ứng suất tiếp lớn nhất, xác định dường kinh trục, biết ứng suất cho phép vật liệu làm trục [ơỊ = kN /cnr Bỏ qua Irrc ma sát ‫ ؤ‬các ổ dO, trqng lưọrtg thân trục puli Hỉnh8-17 G ia i MOmcn xoắn tác dụng vào trục: w M = — = ! ‫ ت‬0,3333 7‫^ح‬/? ũ) ‫و و و و و‬ đổ: 166 21 kNcm _ Trn _ 3,14.200 _ ٦, ,, to = —^ = rad/s 30 30 Theo đicii kiện cũn bàng ciia mômcn xoăn: ٦ D ٦ D D M = 212 = —, - —‫ ؛‬t١— - — 2 2 Ríil ra: 2M 2.33,33 l, = t, = — = - y - = 1,67 kN D 40 Các mặt cắt ngang A c mặt cắt ngang nguy hiểm (hình 8-18) ■^ =JA sskNcm BiềúđS Mz Béuđẵ' Aị, Nội lực trôn mạt cắt ngang c là; M, = 125,2.‫ ؟‬kNan My = 75,15 kNan = 33,33 kNcm Mtlmen tương đương tính theo thuyết bồn ứng suất tiếp lớn bằng; M،٥= ١/ i 2.150 ٠ “33,33+ -75,15+ -25 ‫؟‬,٦kNcm Nội lực măt cắt ngang A: M, = 167 l = iVl١ ‫)(؟‬,kNnii 30 M, = 33,33 kNrm ١n )M ô m c n l ‫؛‬i d u 'c(n ،-‫ >؛‬b ă n t٤>: VI,„ = ١/l.٩0,3()- +33.33- ١ l.٩4 kN