Bài giảng Sức bền vật liệu – Chương 1: Các khái niệm cơ bản cung cấp đến các bạn với những kiến thức bao gồm khái niệm về môn học Sức bền vật liệu; ngoại lực, các loại liên kết, phản lực liên kết; các dạng chịu lực và biến dạng cơ bản, chuyển vị.
GV: Lê Đức Thanh Chương CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 KHÁI NIỆM VỀ MÔN HỌC SỨC BỀN VẬT LIỆU ( SBVL )ĐỐI TƯNG, NHIỆM VỤï, ĐẶC ĐIỂM CỦA MÔN SBVL 1.1.1 ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU CỦA SBVL- HÌNH DẠNG VẬT THỂ SBVL nghiên cứu vật thể thực ( công trình, chi tiết máy …) Vật thể thực có biến dạng tác dụng nguyên nhân ( tải trọng, nhiệt độ, lắp ráp chi tiết chế tạo không xác…) Vật thể thực sử dụng kỹ thuật chia ba loại bản: Khối: có kích thước theo ba phương tương đương: Đê đập, móng máy H 1.1 Vật thể dạïng khối H 1.2 Vật thể dạng vỏ Tấm vỏ: vật thể mỏng có kích thước theo phương nhỏ so với hai phương lại; có dạng phẳng, vỏ có dạng cong: sàn nhà, mái vỏ Thanh: vật thể dài có kích thước theo phương lớn so với hai phương lại: dàn cầu, cột điện, trục máy… SBVL nghiên cứu thanh, hệ Thanh biểu diển trục mặt cắt ngang F vuông góc với trục (H.1.3) Trục quỹ tích trọng tâm mặt cắt ngang Các loại (H.1.4): +Thanh thẳng, cong: trục thẳng, a) cong, +Hệ : gãy khúc b) (phẳng hay không gian) H 1.4 Chương 1: Khái niệm H 1.3 Trục mặt cắt ngang c) Cá c dạng trục http://www.ebook.edu.vn d) GV: Lê Đức Thanh 1.1.2 Nhiệm vụ: SBVL môn học kỹ thuật sở, nghiên cứu tính chất chịu lực vật liệu để đề phương pháp tính vật thể chịu tác dụng nguyên nhân ngoài, nhằm thoả mãn yêu cầu an toàn tiết kiệm vật liệu ♦ Vật thể làm việc an toàn khi: - Thỏa điều kiện bền : không bị phá hoại (nứt gãy, sụp đổ…) - Thỏa điều kiện cứng: biến dạng chuyển vị nằm giới hạn cho phép - Thỏa điều kiện ổn định : bảo toàn hình thức biến dạng ban đầu ♦ Thường, kích thước vật thể lớn khả chịu lực tăng độ an toàn nâng cao; nhiên, vật liệu phải dùng nhiều nên nặng nề tốn Kiến thức SBVL giúp giải hợp lý mâu thuẫn yêu cầu an toàn tiết kiệm vật liệu ♦ Ba toán bảûn SBVL: + Kiểm tra điều kiện bền, cứng, ổn định.(Thẩm kế) + Định kích thước, hình dáng hợp lý công trình hay chi tiết máy + Định giá trị nguyên nhân ( tải trọng, nhiệt độ…) cho phép tác dụng ( Sửa chữa) 1.1.3 Đặc điểm: ♦ SBVL môn khoa học thực nghiệm: Để đảm bảo tin cậy phương pháp tính, môn học kết hợp chặt chẽ nghiên cứu thực nghiệm suy luận lý thuyết Nghiên cứu thực nghiệm nhằm phát tính chất ứng xử vật liệu với dạng chịu lực khác nhau, làm sở đề xuất giả thiết đơn giản để xây dựng lý thuyết Vì vậy, lý thuyết SBVL mang tính gần Thí nghiệm kiểm tra lý thuyết tính toán xây dựng Trong nhiều trường hợp, phải làm thí nghiệm mô hình công trình thu nhỏ trước xây dựng thử tải công trình trước sử dụng ♦ SBVL khảo sát nội lực ( lực bên vật thể ) biến dạng vật thể ( Cơ Lý Thuyết khảo sát cân chuyển động vật thể) ♦ SBVL sữ dụng kết Cơ Lý Thuyết Chương 1: Khái niệm http://www.ebook.edu.vn GV: Lê Đức Thanh 1.2 NGOẠI LỰC- CÁC LOẠI LIÊN KẾT- PHẢN LỰC LIÊN KẾT 1.2.1 Ngoại lực Tải trọng a) Định nghóa: Ngoại lực lực tác động từ môi trường vật thể bên lên vật thể xét b) Phân loại : ♦ Tải trọng : Đã biết trước (vị trí, Phản lực H 1.5 Tải trọng phản lực phương độ lớn), thường quy định quy phạm thiết kế tính toán theo trạng thái chịu lực vật thể Tải trọng gồm: +Lực phân bố: tác dụng thể tích, diện tích vật thể ( trọng lượng thân, áp lực nước lên thành bể ) Lực phân bố thể tích có thứ nguyên lực/thể tích,hay [F/L3] Lực phân bố diện tích có thứ nguyên lực/diện tích, hay [F/L2] Nếu lực phân bố dải hẹp thay lực phân bố diện tích lực phân bố đường với cường độ lực có thứ nguyên lực/chiều dài, hay [F/L] (H.1.6) Lực phân bố đường loại lực thường gặp SBVL q h G H 1.6 Các loại lực phân bố +Lực tập trung: tác dụng điểm vật thể, thứ nguyên [F] Thực tế, diện tích truyền lực bé coi lực truyền qua điểm + Mômen (ngẩu lực) có thứ nguyên lực x chiều dài hay [FxL] ♦ Phản lực : lực thụ động (phụ thuộc vào tải trọng), phát sinh vị trí liên kết vật thể xét với vật thể khác c) Tính chất tải trọng ♦ Tải trọng tónh: biến đổi chậm hay không đổi theo thời gian, bỏ qua gia tốc chuyển động (bỏ qua lực quán tính xét cân bằng) Áp lực đất lên tường chắn, trọng lượng công trình lực tónh… ♦Tải trọng động: lực thay đổi nhanh theo thời gian, gây chuyển động có gia tốc lớn ( rung động động gây ra, va chạm búa xuống đầu cọc…) Với lực động cần xét đến tham gia lực quán tính Chương 1: Khái niệm http://www.ebook.edu.vn GV: Lê Đức Thanh 1.2.2 Liên kết phẳng, phản lực liên kết, cách xác định 1.2.2.1 Các loại liên kết phẳng phản lực liên kết: Một muốn trì hình dạng, vị trí ban đầu chịu tác động ngoại lực phải liên kết với vật thể khác với đất ♦ Gối di động (liên kết thanh): ngăn cản chuyển vị thẳng phát sinh phản lực R theo phương liên kết M H (H.1.7a) H ♦ Gối cố định ( Liên kết R V khớp, khớp, lề) : ngăn cản a) b) chuyển vị thẳng theo phương V c) H 1.7 Liên kết phản lực liê n kế t phát sinh phản lực R theo phương Phản lực R thường phân tích hai thành phần V H (H.1.7b) ♦ Ngàm: ngăn cản tất chuyển vị thẳng chuyển vị xoay Phản lực phát sinh ngàm gồm ba thành phần V, H M (H.1.7c) 1.2.2.2 Cách xác định phản lực: Giải phóng liên kết, thay phản lực tương ứng, phản lực xác định từ điều kiện cân tónh học tải phản lực Bài toán phẳng có ba phương trình cân độc lập, thiết lập dạng khác sau: = (2 phương X, Y khoâng song song) ∑ X = 0; ∑ Y = 0; ∑ M ∑ M A = 0; ∑ M B = 0; ∑ MC = ( điểmA, B, C không thẳng hàng) ∑ X = 0; ∑ M A = 0; ∑ M B = (phương AB không vuông góc với X) O Bài toán không gian có sáu phương trình cân độc lập, thường có dạng: ∑ X = 0; ∑ Y = 0; ∑ Z = 0; ∑ M / Ox = 0; ∑ M / Oy = 0; ∑ M / Oz = Chú ý:Để cố định mp cần tối thiểu liên kết đơn để chống lại chuyển động tự Nếu đủ liên kết bố trí hợp lý phản lực tìm từ ptcb tỉnh học.Thanh gọi tỉnh định Nếu số liên kết tương đương lớn gọi toán siêu tỉnh Chương 1: Khái niệm http://www.ebook.edu.vn GV: Lê Đức Thanh 1.3 CÁC DẠNG CHỊU LỰC VÀ BIẾN DẠNG CƠ BẢN – CHUYỂN VỊ 1.3.1Biến dạng vật thể: Trong thực tế, chịu lực phân tích dạng chịu lực bản: Trục chịu kéo (nén) dãn dài (co ngắn) (H.1.8a,b) Trục chịu uốn bị cong (H.1.8e) Thanh chịu xoắn trục thẳng đường sinh bề mặt trở thành đường xoắn trụ (H1.8.d) Khi chịu cắt, hai phần có xu hướng trượt (H1.8.c) P P P 2P a) P P dx c) Δdx a) γ T1 P b) T2 T1 T2 d) b) H 1.9 Các biến dạng e) Hình 1.8 Các dạng chịu lực 1.3.2 Biến dạng phân tố: Nếu tưởng tượng tách phân tố hình hộp từ chịu lực biến dạng trường hợp tổng quát phân tích hai thành phần bản: ♦ Phân tố H.1.9a dài dx thay đổi chiều dài, không thay đổi góc Biến dạng dài tuyệt đối theo phương x : Biến dạng dài tương đối theo phương x : Δdx εx = Δdx dx ♦ Phân tố H.1.9b có thay đổi góc, không thay đổi chiều dài Biến dạng góc hay góc trượt, ký hiệu γ : Độ thay đổi góc vuông ban đầu Chương 1: Khái niệm http://www.ebook.edu.vn GV: Lê Đức Thanh 1.3.3 Chuyển vị: Khi vật thể bị biến dạng, điểm P1 P3 vật thể nói chung bị thay đổi vị trí Độ chuyển dời từ vị trí cũ điểm A A+ sang vị trí A’ gọi chuyển vị A’ + dài Góc hợp vị trí đoạn thẳng AC trước biến dạng +C + C’ P4 P2 A’C’ vật thể gọi chuyển vị H 1.10 góc ( H.1.10) 1.4 Các giả thiết Khi giải toán SBVL, người ta chấp nhận số giả thiết nhằm đơn giản hoá toán cố gắng đảm bảo xác cần thiết phù hợp với yêu cầu thực tế 1.4.1 Giả thiết vật liệu Vật liệu coi liên tục, đồng nhất, đẳng hướng đàn hồi tuyến tính ♦ Ta tưởng tượng lấy phân tố bao quanh điểm vật thể Nếu cho phân tố bé tùy ý mà chứa vật liệu ta nói vật liệu liên tục điểm Giả thiết liên tục vật liệu cho phép sử dụng phép tính toán giải tích giới hạn, vi phân, tích phân Trong thực tế, với vật liệu coi hoàn hảo kim loại có cấu trúc không liên tục Lực ♦ Vật liệu đồng : Tính chất học điểm vật thể ♦ Vật liệu đẳng hướng : Tính chất học điểm theo phương Biến dạng H 1.11 Đàn hồi tuyến ♦ Tính chất đàn hồi vật thể khả tính khôi phục lại hình dạng ban đầu ngoại lực tác dụng Nếu quan hệ ngoại lực biến dạng bậc nhất, vật liệu gọi đàn hồi tuyến tính (H.1.11) Giả thiết vật liệu đàn hồi tuyến tính làm giảm bớt phức tạp toán SBVL Chương 1: Khái niệm http://www.ebook.edu.vn GV: Lê Đức Thanh 1.4.2 Giả thiết sơ đồ tính Khi tính toán, người ta thay vật thể thực sơ đồ tính (H1.12) q a) b) H 1.12 Sơ đồ tính 1.4.3 Giả thiết biến dạng chuyển vị Vật thể có biến dạng chuyển vị bé so với kích thước ban đầu vật ⇒ Có thể khảo sát vật thể phận hình dạng ban đầu ( tính sơ đồ không biến dạng vật thể) Giả thiết xuất phát điều kiện biến dạng chuyển vị lớn vật thể phải nằm giới hạn tương đối nhỏ Hệ quả: Khi vật thể có chuyển vị bé vật liệu đàn hồi tuyến tính áp dụng nguyên lý cộng tác dụng sau: Một đại lượng nhiều nguyên nhân đồng thời gây tổng đại lượng nguyên nhân gây riêng lẻ (H.1.13) P2 P1 P2 P1 H.1.13 Nguyên lý cộng tác dụng Chuyển vị Δ đầu lực P1 P2 gây phân tích Δ (P1 , P2 ) = Δ1 (P1 ) + Δ2 (P2 ) sau: Nguyên lý cộng tác dụng biến toán phức tạp thành toán đơn giản dễ giải Vì vậy, thường sữ dụng SBVL Chương 1: Khái niệm http://www.ebook.edu.vn ... bậc nhất, vật liệu gọi đàn hồi tuyến tính (H .1. 11) Giả thiết vật liệu đàn hồi tuyến tính làm giảm bớt phức tạp toán SBVL Chương 1: Khái niệm http://www.ebook.edu.vn GV: Lê Đức Thanh 1. 4.2 Giả... 1. 4 .1 Giả thiết vật liệu Vật liệu coi liên tục, đồng nhất, đẳng hướng đàn hồi tuyến tính ♦ Ta tưởng tượng lấy phân tố bao quanh điểm vật thể Nếu cho phân tố bé tùy ý mà chứa vật liệu ta nói vật. .. tổng đại lượng nguyên nhân gây riêng lẻ (H .1. 13) P2 P1 P2 P1 H .1. 13 Nguyên lý cộng tác dụng Chuyển vị Δ đầu lực P1 P2 gây phân tích Δ (P1 , P2 ) = ? ?1 (P1 ) + Δ2 (P2 ) sau: Nguyên lý cộng tác dụng