Библиотека

Сравнительный анализ методов расчета стержней при внецентровом нагружении

Фомин И.А., Онищенко В.П.
Донецкий национальный технический университет


Источник: Машинознавство/ Матеріали 9-ої регіональної научно-методичної конференції.- Донецьк: 2007.-90с.;іл.


Введение

При внецентренном растяжении (сжатии) бруса (стержня) внешняя сила не совпадает с осью стержня, а смещена относительно продольной его оси, оставаясь ей параллельной. Расчет стержней при внецентренном нагружении можно провести нескольким и методами:

1. Точный метод - расчет стержня с учетом положения нейтральной линии;

2. Упрощенный метод - расчет стержня бет учета положения нейтральной линии

3. Метод конечных элементов (МКЭ).

Основное содержание и результаты работы

Ниже приведены результаты расчета тремя перечисленными методами применительно к стержню, нагруженному эксцентрично приложенной силой F =40кН. и имеющему следующие размеры прямоугольного поперечного сечения: h =20мм, h = 60мм и l= 200мм (рис. 1).

Внецентровое растяжение стержня: а)исходная схема нагружения, б)Эквивалентная схема, в)поперечное сечение

Рис.1 Внецентровое растяжение стержня: а)исходная схема нагружения, б)Эквивалентная схема, в)поперечное сечение

Уточненный метод . Вначале создается эквивалентная схема нагружения стержня, для чего сила F переносится параллельно самой себе на ось стержня. Соот¬ветственно, стержень должен быть нагружен моментом М = Fе (рис. 1б). Напряжения на расстоянии у от оси x (рис. 1в) определяются с помощью принципа независимости действия внешних силовых факторов (F и М ).

Соответственно, напряжения oт действия силы F и момента М будут равны:


На нейтральной линии напряжения av равны нулю, что имеет место при условии равенства нулю сомножителя в скобках в выражении (1):


откуда уравнение нейтральной линии будет иметь вид:


Наибольшие напряжения будут в точках, наиболее удаленных от нейтральной линии, то есть на расстоянии уmах (рис. 1в):


Значение наибольших напряжений для точного метода расчет стержня при вне внецентренном нагружении будет равно:


Упрощенный метод. В этом случае суммируются напряжения от действия силы F и максимальные напряжения от действия момента М :


Метод конечных элементов. Конечно-элементный анализ эксцентрично нагруженного стержня осуществлялся в системе АРМ WinMachine компании АПМ (НЦП «Автоматизированное проектирование машин», г. Королев. Московская обл.).

Стержень разбивался на 500 тетраэдров, соединенных между собой. Один горец стержня всеми узлами жестко закреплялся, а к свободному концу прикладывалась эксцентричная сила F . Напряжения определялись по цветовой гамме.

Значения эксцентриситета е для расчета напряжений по формулам (5), (6) и вы¬бора напряжений но цветовой гамме принимались следующими: е = 30мм, е-45мм. е = 60мм и е = 75.мм.

В результате расчетов получил данные, по которым построил графики на (рис.2).



Заключение

Анализ полученных результатов показывает, что приближенный метод занижает напряжения на 15-20%, что допустимо только при больших значениях запаса прочности. Значительное занижение напряжений (20-30%) при применении метода конечных элементов может быть объяснено недостаточным количеством конечных элементов, поскольку программа высвечивает среднее значение напряжений в пределах элемента. Увеличение количества элементов требует применения компьютеров большой мощности и более специализированных программ (например, ANSYS). Применение метода MKT) целесообразно для анализа напряженного состояния объектов сложной конфигурации, для которых большое значение имеет не абсолютное значение напряжений, а их распределение.

Литература

  1. Феодосьев В.И. «Сопротивление материалов», Москва, ..Наука,), 1986г.