Transcript Document

TUGEVUSÕPETUS
Masinaelementide ja peenmehaanika õppetool
Ekstsentriline surve
F
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
1
1. Ülesande püstitus ja algandmed
Priit Põdra
Tugedega konstruktsioon
Tugi
Tala
Tugi
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
3
Lühike ühtlane surutud tugi
Arvutada lühikesele toele koormuse F
suurim lubatav väärtus !
Toe ristlõike kuju ja
koormuse asend
F
400
100
50
Koormus
F
400
25
300
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
4
2. Toe kesk-peatasandid
Priit Põdra
2.1. Ristlõike osakujundid ja teljestikud
Osakujundid
Liitkujund koosneb
2-st osakujundist
Osakujund nr 1 = ristkülik pinnakeskmega C1
Osakujund nr 1
1
C1
y1z1 = osakujundi nr 1 kesk-peateljestik
C2
z2
400
100
Osakujund nr 2
400
y2
y
300
Priit Põdra
Teljestikud
z1
2
y1
Osakujund nr 2 = võrdhaarne kolmnurk
pinnakeskmega C2
y2z2 = osakujundi nr 2 kesk-peateljestik
Telg y1  y2 = osakujundi nr 1 sümmeetriatelg
= osakujundi nr 2 sümmeetriatelg
= liitkujundi SÜMMEETRIATELG
Telg y1  y2  y = liitkujundi KESKPEATELG
Liitkujundi teine keskpeatelg (z) on esimesega
(y) risti ja läbib pinnakeset
Ekstsentriline surve
6
2.2. Osakujundite andmed
Lihtkujundite andmed on
toodud käsiraamatutes
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
7
2.3. Ristlõike pinnakeskme asukoht (1)
yC1
Liitkujundi pinnakeskme koordinaat telje z ’ suhtes: y  S z '
C
A
Osakujund nr 1
S z '  S z1'  S z2'
yC2
z1
Osakujundi nr 1 staatiline
moment telje z’ suhtes
2
C2
z2
Osakujund nr 2
y1
y2
y
Osakujundi nr 2 staatiline
moment telje z’ suhtes
Osakujundite staatilised momendid
S z1  yC1 A1 S z2'   yC2 A2
Osakujundi nr 1
pinnakeskme C1
koordinaat telje z ’
suhtes (y-koordinaat)
Osakujundi nr 1 pindala
Priit Põdra
Liitkujundi pindala
Liitkujundi staatiline moment telje z ’ suhtes
z’
C1
1
Liitkujundi staatiline
moment telje z’ suhtes
Ekstsentriline surve
Osakujundi
nr 2 pindala
Osakujundi nr 2 pinnakeskme C2 koordinaat
telje z ’ suhtes (ykoordinaat)
8
2.3. Ristlõike pinnakeskme asukoht (2)
h(1)
yC1
b(1)
Osakujundite pinnakeskmete koordinaadid
z’
C1
1
y C1
yC2
z1
2
C2
h(2)
h(2)/3
z2
y1
y C2
h 1 100


 50 mm
2
2
h 2 
400- 100
h 
 100 
 200 mm
3
3
1
NB! Koordinaadid on MÄRGIGA suurused
b(2)
Osakujundite pindalad
y2
400
A1  b 1 h 1  400100  40000 mm2
400
100
y
A2 
b 2  h 2  300 400  100


 45000 mm2
2
2
300
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
9
2.3. Ristlõike pinnakeskme asukoht (3)
Liitkujundi pinnakeskme z - koordinaat
S z ' y C1 A1  y C 2 A2  50  40000 200 45000
yC 


 129,4  129 mm
1
2 
A
40000 45000
A A
yC
129
z’
NB! Koordinaat on MÄRGIGA suurus
C
z
Teljestik yz = liitkujundi KESK-PEATELJESTIK
Liitkujundi
pinnakese
y
Priit Põdra
Ristlõike pinnakese C on
punkt, mida läbib varda telg
Ekstsentriline surve
10
2.4. Toe kesk-peatasandid
x
x
z
F
z
zx - keskpeatasand
y
y
xy - keskpeatasand
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
11
3. Toe sisejõudude analüüs
Priit Põdra
3.1. Koormatud toe kolmvaade
Vaade vasakult
Vaade eest
F
F
x
x
F
x
z
y
z
Vaade ülalt
y
F
C
z
y
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
13
3.2. Sisejõud kesk-peatasandis xy
Lõike sisejõud
Sisejõud arvutatakse LÕIKEMEETODIGA
x
F
z
F
F
50
ey x
Koormuse
ekstsentrilisus
telje y sihis
x
y
y
y
h(1)
Lõige
yC
Mz
Vaate suund
N
Positiivsed kiud
on tõmmatud
Koormuse ekstsentrilisus
Tasakaaluvõrrandid
 F  0  F  N  0  N  F 
M  0  Fe  M  0  M  Fe
z
Priit Põdra
y
z
z
e y  yC  50  129 50  79 mm  0,079m
y
 F  0,079  M z  0,079F 
Ekstsentriline surve
Sisejõud ei sõltu
koordinaadist x
14
3.3. Sisejõud kesk-peatasandis zx
Lõike sisejõud
Sisejõud arvutatakse LÕIKEMEETODIGA
x
F
z
25
F
F
ez
x
x
Koormuse
ekstsentrilisus
telje z sihis
z
z
y
b(1)/2
b(1)/2
Lõige
My
Vaate suund
NB! See on sama sisejõud
N, mis tasandis xy
Tasakaaluvõrrandid
 F  0  F  N  0  N  F 
Positiivsed
kiud on
tõmmatud
Koormuse ekstsentrilisus
b 1
400
ez 
 25 
 25  175 mm  0,175m
2
2
M y  0  Fez  M y  0  M y  Fez  F  0,175 M y  0,175F 
Priit Põdra
N
Ekstsentriline surve
Sisejõud ei sõltu
koordinaadist x
15
3.4. Toe tööseisund
x
F
Ekstsentriliselt surutud tugi on
ÜHTLASELT koormatud
z
(kõikides ristlõigetes on sisejõudude
väärtused samad)
Ekstsentrilise surve sisejõud
ristlõigetes
 N  F  

M y  0,175F  
 M  0,079F  
 z
y
Ekstsentriline pike = PIKKE ja PAINDE koosmõju
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
16
3.5. Toe deformatsioonid (1)
Paine ümber telje z
Paine ümber telje y
M
x
y
Mz
z
y
Priit Põdra
x
z
y
Ekstsentriline surve
17
3.5. Toe deformatsioonid (2)
Surve
Kolme deformatsiooni summa
x
Fx
x
z
z
F
y
y
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
18
3.5. Toe deformatsioonid (3)
x
Fx
+
z
+
y
x
z
F
y
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
19
4. Toe ristlõike pingete laotused
Priit Põdra
4.1. Pikkepinge toe ristlõigetes
Ristlõike pikkepinge laotus
N 
N
F
F
 1

 11,76 F  11,8F
2 
6
6
A A A
40000  10  45000  10
N
Pikkepinge funktsioon
toe ristlõikes
C
Pikkepinge laotus sisepinnal on
ühtlane
z
x
Fx
11,8F
Priit Põdra
z
y
Kõikides sisepinna punktides on
pikkepinge väärtus sama
y
Ekstsentriline surve
21
4.2. Paindepinge momendist My toe ristlõigetes
zmax
400
Ristlõike paindepinge laotus
100
|zmin|
 My 
400
C
My
z
Iy
Ristlõike paindemoment
z
Punkti koordinaat
300
Ristlõike telg-inertsimoment
Ristlõike suurimad paindepinged
Mymin
y

My
max
My

min
My

My
Iy
z max 
My
Iy
z min
zmax = 200 mm = 0,2 m
max
My
Priit Põdra
zmin = - 200 mm = - 0,2 m
Ekstsentriline surve
22
4.2.1. Ristlõike inertsimoment telje y suhtes
Ristlõike osakujundid
I y  I y1  I y2
h(1)
b(1)
Inertsimoment telje y suhtes
C1
1
Osakujundi nr. 2 inertsimoment telje y suhtes
z1
C
z
C2
z2
h(2)
2
y1
b(2)
Osakujundi nr. 2 inertsimoment telje y suhtes
I y1
b 1 h 1 4003  100


 533,3  106 mm4  5,33 104 m 4
12
12
I y2 
b 2  h 2  3003  300


 168,7  106 mm4  1,69  104 m 4
48
48
3
3
400
y2
100
I y  I y1  I y2   5,33 104  1,69  104 
400
y
 7,02  104 m 4
300
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
23
4.2.2. Ristlõike paindepinge My funktsioon
Ristlõike paindepinge My laotus
 My 
C
z
My
Iy
0,175F
z
z  249,2Fz  249Fz
4
7,02  10
Paindepinge funktsioon toe
ristlõikes
Ristlõike suurimad paindepinged
49,8F
max
 My
 249Fzmax  249 F  0,2  49,8F
y
My
See on tõmbepinge (+)
min
 My
 249Fzmin  249 F   0,2  49,8F
See on survepinge (-)
49,8F
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
24
4.3. Paindepinge momendist Mz toe ristlõigetes
400
C
Ristlõike paindepinge laotus
100
400
|ymin|

min
Mz
z
ymax
300
Ristlõike telginertsimoment
Punkti koordinaat
Ristlõike
paindemoment
Mz
y
 Mz
Mz

y
Iz
max
Mz
Ristlõike suurimad paindepinged
max
 Mz

Priit Põdra
Mz
y max
Iz
min
 Mz

Mz
y min
Iz
Ekstsentriline surve
25
4.3.1. Ristlõike inertsimoment telje z suhtes (1)
Ristlõike osakujundid
h(1)
Inertsimoment telje z suhtes
I z  I z1  I z2 
C1
1
e1
yC2
yC
yC1
b(1)
C
z1
z
|e2|
C2
z2
h(2)
2
y1
Osakujundi nr. 2
inertsimoment
telje z suhtes
Rööpsete telgede teoreem
osakujundile
I M  I K  e2 A
b(2)
y2
Mittekesktelg z
y
Kesktelg z1 või z2
e1  yC  yC1  129 50  79 mm e2  yC  yC2  129 200  71 mm
Priit Põdra
Osakujundi nr. 2
inertsimoment
telje z suhtes
Ekstsentriline surve
Pindala
A(1) või A(2)
Rööpse telje M
koordinaat K
suhtes e1 või e2
26
4.3.1. Ristlõike inertsimoment telje z suhtes (2)
h(1)
Osakujundite inertsimomendid
e1
C
z1
z
|e2|
C2
h(2)
2
y1
b(2)
y2
400
100
y
400
300
Priit Põdra
I z1  I z11  e12 A1
C1
1
yC2
yC
yC1
b(1)
z2
b 1 h 1

 e12 A1 
12
3
400 1003

 792  40000
12
 282,9  106 mm4  2,83  104 m 4
I z2   I z22  e22 A2 
b 2  h 2 

 e22 A2  
36
3
300 3003
2

  71  45000
36
 451,8  106 mm4  4,52  104 m 4
Liitkujundi inertsimoment
I z  I z1  I z2  2,83104  4,52 104  7,35104 m4
Ekstsentriline surve
27
4.3.2. Ristlõike paindepinge Mz funktsioon
|ymin|
13,8F
C
Ristlõike paindepinge Mz laotus
Mz
 Mz 
ymax
z
Mz
0,079F
y
y  107,4Fy  107Fy
4
Iz
7,35  10
Paindepinge funktsioon toe
ristlõikes
ymax = 400  yC = 400  129 = 271mm = 0,271 m
29,0F
y
ymin =  yC =  129 mm =  0,129 m
400
See on tõmbepinge (+)
100
Ristlõike suurimad paindepinged
400
300
Priit Põdra
See on
survepinge (-)
max
 Mz
 107Fymax  107 F  0,271 28,99F  29,0F
min
 Mz
 249Fymin  107 F   0,129  13,80F  13,8F
Ekstsentriline surve
28
5. Toe ristlõike pingete analüüs
Priit Põdra
5.1. Ristlõike pingete koosmõju
Ristlõike pingeepüürid
N
13,8F
Mz
C
z
11,8F
49,8F
29,0F
y
Ristlõike kõikide punktide
deformatsioonid on telje x sihilised ja
liituvad/lahutuvad
My
Ristlõike kõikide punktide pinged on
telje x sihilised (normaalpinged) ja
liituvad/lahutuvad
49,8F
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
30
5.2. Ristlõike normaalpinge võrrand
Ristlõike punkti (y;z) summaarne
normaalpinge
   N   My   Mz 
 11,8F  249Fz  107Fy
See on ristlõike punkti (koordinaatidega y ja z)
normaalpinge funktsioon
Ristlõike NULLJOON = joon ristlõike pinnal, mille
punktide normaalpinge väärtus on NULL
 0
Ristlõike nulljoone võrrand
 11,8F  249Fz  107Fy  0
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
249z  107y  11,8
See on SIRGE
võrrand
31
5.3. Ristlõike ohtlikud punktid (1)
Ristlõike suurim tõmbepinge
  11,8F  249Fz  107Fy  max
Ristlõike suurim survepinge
  11,8F  249Fz  107Fy  min
PROBLEEM: Teada ei ole ohtlike punktide
asukohad (koordinaadid y ja z)
EELDUSED: Ristlõiked jäävad
deformeerumisel tasapinnalisteks
Ristlõike nulljoon on sirge
JÄRELDUSED: Suurimad pinged (ja deformatsioonid) on nulljoonest kõige kaugemates
punktides
Suurim tõmbepinge on nulljoonest ühel ja suurim survepinge teisel pool
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
32
5.3. Ristlõike ohtlikud punktid (2)
Ohtlike punktide paiknemise saab
määrta geomeetriliselt
Ristlõike NULLJOON
13,8F
47
N
Mz
Nulljoone võrrand
C
249z  107y  11,8
110
z
NB! Need on
koordinaadid
(märgiga + või -)
Punktid, kus nulljoon lõikab telgi
11,8
 0,0473 m  47 mm
249
11,8
 0,1102 m  110 mm
Kui z = 0, siis: y 
107
Kui y = 0, siis: z 
11,8F
49,8F
29,0F
y
100
400
400
My
49,8F
Priit Põdra
NB! Ristlõike NULLJOON
paikneb nii, et pinnakese C
jääb koormuse F mõjusirge
ja nulljoone vahele
300
Ekstsentriline surve
33
5.3. Ristlõike ohtlikud punktid (3)
Ohtlike punktide asukohad määratakse nulljoonega paralleelsete sigete abil
Suurim
survepinge
O1
Nulljoonest kõige kaugemal asetsevad
ristlõike punktid
O2
Punkt O1 koordinaatidega:
 y O1   y C  129 mm  0,129 m

 z O1  200 mm  0,2 m
Siin on SURVEPINGE, kuna koormus F on SURUV
Suurim
tõmbepinge
Punkt O2 koordinaatidega:
 yO2   y C  100  129  100  29 mm  0,029 m

 z O2  200 mm  0,2 m
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
34
5.4. Ristlõike suurimad pinged
Ristlõike suurim survepinge
Suurim
survepinge
O1
13,8F
N
C
Mz
O2
z
 O1  11,8F  249FzO1  107FyO1 
 11,8  F  249 F   0,2  107 F   0,129 
 75,40F  75,4 F
KONTROLL: O1 PIDI olema survepinge  O1
on märgiga “”, järelikult ON survepinge
11,8F
49,8F
y
29,0F
Suurim
tõmbepinge
My
49,8F
Ristlõike suurim tõmbepinge
 O2  11,8F  249FzO2  107FyO2 
 11,8  F  249 F  0,2  107 F   0,029 
 34,89F  34,9 F
KONTROLL: Kui O1on survepinge, siis O2 PEAB olema tõmbepinge  O2
on märgiga “+”, järelikult ON tõmbepinge
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
35
6. Tugevusarvutus
Priit Põdra
6.1. Toele lubatav koormus
Materjal: MALM
Lubatav survepinge: []Surve = 200 MPa
Lubatav tõmbepinge: []Tõmme = 40 MPa
SURVE tugevustingimus ohtlikus punktis O1
 O1   Surve
 75,4F  200106
TÕMBE tugevustingimus ohtlikus punktis O2
 O2   Tõmme
34,9F  40  106
Toele lubatav koormus:
Punkti O1 jaoks ohutu koormus F
200 106
F
 2,65  106 N  2600kN
75,4
Punkti O2 jaoks ohutu koormus F
40  106
F
 1,14  106 N  1100 kN
34,9
F  min 2600kN;1100kN  1100kN
See koormuse väärtus on ohutu mõlema ohtliku punkti jaoks
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
37
Suurim
survepinge
O1
6.2. Tugevuskontroll
13,8F
N
C
Mz
O2
z
Materjal: MALM
Lubatav survepinge: []Surve = 200 MPa
Lubatav tõmbepinge: []Tõmme = 40 MPa
11,8F
49,8F
y
29,0F
Suurim
tõmbepinge
My
49,8F
Ohtlikus SURVEpunktis O1
 O1   75,4F  75,4 1100103  82,9 106 Pa  83 MPa  200 MPa
Ohtlikus survepunktis on tugevus tagatud
Ohtlikus TÕMBEpunktis O2
 O2  34,9F  34,9 1100103  38,3 106 Pa  38 MPa  40 MPa
Ohtlikus tõmbepunktis on tugevus tagatud
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
38
6.3. Summaarse pinge epüür
13,8F
N
Mz
x
C
z
F  1100kN
11,8F
49,8F
z
F
29,0F
y
y
83
My

49,8F
MPa
Ristlõike summaarne pinge
  11,8F  249Fz  107Fy
38
Priit Põdra
Ekstsentriline surve
39
7. Jätkuülesanne
Priit Põdra
7.1. Jätkuülesande püstitus
Kui suur on toe lubatava koormuse väärtus,
kui koormus mõjub piki toe telge
x
x
F
z
z
F
y
y
F  1100kN
Priit Põdra
F  ???
Ekstsentriline surve
41
7.2. Tugevusarvutus
Ekstsentriline pike
x
Pike (surve)
Pikke tugevustingimus
   Surve
x
z
F
z
F
Pikke SURVEpinge
y
y
Materjal: MALM
Lubatav survepinge: []Surve = 200 MPa
Lubatav tõmbepinge: []Tõmme = 40 MPa
Priit Põdra
N
N
F

 1
2  
A A A
F


6
6
40000 10  45000 10
 11,76F  11,8 F
 11,8F  200106
200 106
F
 16,94  106 N  16900kN
11,8
Ekstsentriline surve
42
7.3. Tugede võrdlus ja oluline järeldus
x
x
z
F
F
z
y
y
F  1100kN
Pikikoormuse
ekstsentrilisus on OHTLIK
Priit Põdra
F  16900kN
Mida suurem on pikikoormuse ekstsentrilisus,
seda väiksem on detaili kandevõime
(selles ülesandes on erinevus 15 x)
Ekstsentriline surve
43