Sức Bền Vật Liệu - Chương 1,2 - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (37 trang)

Trang chủ

Kỹ Thuật - Công Nghệ

Cơ khí - Chế tạo máy

Sức bền vật liệu - Chương 1,2

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (583.77 KB, 37 trang )

9Chương mở đầu NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 0.1.KHÁI QUÁT. 0.1.1. Nhiệm vụ của môn học. Môn học sức bền vật liệu có nhiệm vụ cung cấp những kiến thức cơ bản về phương pháp tính toán độ bền (nghĩa là các kết cấu, chi tiết máy không bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng). Xác định độ cứng vững (nghĩa là sự thay đổi kích thước hình học của các kết cấu, chi tiết không được vượt quá một giới hạn cho phép). Tính toán về độ ổn định (nghĩa là tính toán sao cho các kết cấu, chi tiết có khả năng bảo toàn trạng thái cân bằng ban đầu), điều này chúng ta sẽ rõ khi gặp bài tóan ổn định. Môn học này cũng đề cập đến một số kiến thức để tính toán cho hệ thanh, cho các tấm, các vỏ, thanh thành mỏng... Môn học này còn đề cập đến các bài toán về ứng suất tiếp xúc, về các ống v.v... Điều đó cũng có nghĩa là giáo trình này bao gồm những kiến thức cơ bản của các môn học có liên quan "sức bền vật liệu", "cơ học kết cấu" và "lý thuyết đàn hồi". Ngày nay, khi mà khoa học đã phát triển thì các môn học được đan xen nhau, không còn ranh giới rõ rệt nữa. Các môn học cơ học cũng vậy, nên những vấn đề được trình bày dưới đây chúng tôi cũng theo xu hướng đó, nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản về cơ học có liên quan đến tính độ bền, độ cứng vững và độ ổn định đã nói ở trên, nhưng lại phải tiết kiệm nhất, có lợi nhất. Nói một cách khác là phải giải quyết vấn đề tối ưu nhất trong sản xuất là phải chọn kết cấu, chọn phương pháp tính, phải chọn vật liệu sao cho có lợi nhất. Trong bản chất bài toán này, rõ ràng có mâu thuẫn ví như một chi tiết càng có kích thước lớn thì có thể rất bền, rất cứng vững và rất ổn định nhưng lại không kinh tế và cũng sẽ không thỏa mãn những yêu cầu khác. Chính vì những mâu thuẫn đó chắc chắn nó sẽ là yếu tố thúc đẩy sự phát triển kỹ thuật tính toán, chế tạo của các vật liệu mới... Môn sức bền vật liệu cũng phải phát triển để đưa ra các mô hình tính toán, các phương pháp tính toán hợp lý, để thỏa mãn các điều kiện trên. 0.1.2. Đối tượng nghiên cứu của môn học. Môn sức bền vật liệu là một môn học nằm trong ngành Cơ học vật rắn biến dạng. Khác với Cơ lý thuyết, nhằm khảo sát sự cân bằng và chuyển động của vật rắn tuyệt đối, môn Sức bền vật liệu khảo sát vật thể thực, tức là vật rắn có biến dạng. + Hình dạng vật thể nghiên cứu trong Sức bên vật liệu: Vật thể thực có kích thước theo ba phương và được phân làm ba loại: - Khối: Kích thước theo ba phương không hơn kém nhau nhiều (hình 0.1a). - Tấm, vỏ: Kích thước theo hai phương lớn hơn kich thước theo phương còn lại rất nhiều (hình 0.1b, 0.1c). - Thanh: Kích thước theo một phương lớn hơn kích thước theo hai phương kia rất nhiều. Sức bền vật liệu chủ yếu nghiên cứu thanh và hệ thanh. + Định nghĩa thanh: Một diện tích F hữu hạn di động sao cho trọng tâm O trượt trên một đường cong (C) và thẳng góc (C), thì F sẽ quét trong không gian một hình khối gọi là thanh có diện tích mặt cắt ngang là F. Trong đó: (C)- Trục thanh; F- Diện tích mặt cắt ngang. 10 + Các loại thanh: Thanh nếu có trục thanh (C) là thẳng thì ta gọi là thanh thẳng, khi trục thanh (C) là cong thì ta gọi là thanh cong. Mặt cắt thanh có thể là không đổi suốt chiều dài thanh, nhưng mặt cắt thanh cũng có thể thay đổi. + Khung: Hệ gồm nhiều thanh ghép lại, có hai loại: khung phẳng và khung không gian. Trong tính toán thường biểu diễn thanh bằng trục của nó (hình 0.1d', hình 0.1e'). Từ nhiệm vụ và đối tượng nghiên cứu nói trên ta thấy trong sức bền vật liệu có các bài toán sau: a) Kiểm tra các điều kiện về độ bền, độ cứng vững, độ ổn định. b) Xác định kích thước mặt cắt ngang, hình dáng hợp lý của công trình hay chi tiết. c) Xác định giá trị tải trọng cho phép tác dụng lên vật thể. Hình 0.1:i tng nghiên cu ca Sc bn vt liu a-Khi; b, c-Tm và v;d-d′,e-e′-Thanh và cách biu din thanh trong tính tóan; f,h,i,g- Khung; j,k-Gi di ng;m,n-Khp c nh;o-Ngàm a) b) c)d) d′)e))e′m) n) o)VA HA RVAHAMAg) k) j)VAVAf) h) i) 11 0.1.3. Đặc điểm - Môn Sức bền vật liệu khảo sát nội lực và biến dạng của vật thực, nhưng vẫn áp dụng các kết quả của Cơ học lý thuyết (sử dụng các phương trình cân bằng). - Môn Sức bền vật liệu là một môn khoa học thực nghiệm với phương pháp nghiên cứu như sau: + Quan sát thực tế. + Đề ra các giả thuyết và tính toán. + Thí nghiệm kiểm tra. 0.2. Các nguyên nhân bên ngoài tác dụng lên vật thể. 0.2.1. Ngoại lực. Định nghĩa: Ngoại lực là lực tác dụng của môi trường bên ngoài hay của các vật thể khác lên vật thể đang xét. * Phân loại ngoại lực. Ngoại lực gồm: - Tải trọng: Trị số, vị trí và tính chất của lực đã biết trước. - Phản lực: Lực phát sinh nơi tiếp xúc giữa vật thể đang xét với vật thể khác tùy thuộc vào tải trọng. Tải trọng bao gồm lực phân bố tác dụng liên tục trên thể tích hay bề mặt (có cường độ bằng giá trị lực/đơn vị thể tích hay diện tích, thứ nguyên là [lực/(chiều dài)3], [lực/(chiều dài)2] hoặc là lực phân bố theo chiều dài [lực/chiều dài]. Ngoài ra còn có lực tập trung, mô men tập trung, mô men phân bố. * Tính chất tải trọng. - Tải trọng tĩnh: Giá trị của lực tăng từ từ xem như không gây ra lực quán tính. - Tải trọng động: Giá trị của lực tăng đột ngột (va chạm) hay kể đến lực quán tính (dao động, chuyển động có gia tốc). 0.2.2. Các nguyên nhân khác. Bao gồm sự gia tăng của nhiệt độ, sự chế tạo không chính xác các chi tiết máy hay sự lún của các gối tựa trong công trình. 0.2.3. Các loại liên kết phẳng và phản lực liên kết . a) Gối di động (khớp di động, con lăn): Liên kết cho phép thanh quay xung quanh một điểm và chuyển động tịnh tiến theo một phương nào đó. Liên kết hạn chế sự di chuyển của thanh theo phương vuông góc với phương chuyển động tịnh tiến, nên theo phương này liên kết sẽ phát sinh một phản lực VA: (hình 0.1j) hay (hình 0.1k). b) Gối cố định (khớp, bản lề): Liên kết cho phép thanh quay xung quanh một điểm và hạn chế mọi chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng. Liên kết này phát sinh phản lực theo một phương bất kỳ trong mặt phẳng. Trong tính toán ta thường phân lực này ra hai thành phần vuông góc nhau HA và VA (xem hình 0.1m và 01 n). c) Ngàm: Liên kết hạn chế mọi chuyển động trong mặt phẳng. Tại ngàm phát sinh một mô men phản lực và một phản lực theo phương bất kỳ, phản lực này thường được phân ra hai thành phần vuông góc nhau (xem hình 0.1o). Để xác định các phản lực, ta xem thanh như vật rắn tuyệt đối và xét sự cân bằng của vật rắn đó dưới tác động của phản lực và tải trọng. 0.3. Các giả thuyết cơ bản. Vì đối tượng khảo sát là vật thực, cho nên nếu xét đến mọi tính chất thực thì bài toán sẽ rất phức tạp. Do vậy để quá trình suy luận hay tính toán được đơn giản mà vẫn đảm bảo được độ chính xác cần thiết, ta cần phải lược bỏ những tính chất không cơ bản và chỉ giữ lại tính chất cơ bản quyết định đến phẩm chất công trình hay chi tiết. Tức là ta đưa ra các giả thuyết. Môn Sức bền vật liệu sử dụng ba giả thuyết cơ bản sau: 12 * Giả thuyết 1: Vật liệu có tính liên tục, đồng chất và đẳng hướng. - Vật liệu liên tục nghĩa là vật liệu chiếm đầy không gian vật thể. - Vật liệu đồng nhất khi tính chất cơ học và vật lý tại mọi điểm của nó giống nhau. - Vật liệu đẳng hướng nghĩa là tính chất cơ lý xung quanh một điểm bất kỳ và theo hướng bất kỳ như nhau. * Giả thuyết II: Vật liệu đàn hồi tuyệt đối và tuân theo định luật Hooke. Dưới tác dụng của nguyên nhân bên ngoài, vật thể bị thay đổi hình dạng, kích thước ban đầu. Tuy nhiên khi bỏ các nguyên nhân này đi thì vật thể có khuynh hướng trở về hình dạng và kích thước ban đầu. Đó là tính đàn hồi của vật liệu và vật thể tương ứng và được gọi là vật thể đàn hồi. Nếu vật thể có khả năng trở về nguyên hình dạng và kích thước ban đầu ta gọi là vật thể đàn hồi tuyệt đối. Vật liệu làm việc tuân theo định luật Hooke khi tương quan giữa lực và biến dạng là tương quan bậc I. Vật liệu thỏa mãn giả thuyết II gọi là vật liệu đàn hồi tuyến tính. Đối với các loại vật liệu như thép, gang... nếu lực tác dụng nhỏ hơn một trị số giới hạn xác định nào đó, có thể xem như thỏa mãn giả thuyết này. * Giả thuyết III: Biến dạng của vật thể là bé. Hệ quả của các giả thuyết: Trong quá trình tính toán ta có thể: - Sử dụng phép tính vi phân, tích phân, tức là có thể nghiên cứu một phân tố bé để suy rộng ra cho cả vật thể lớn. - Sử dụng sơ đồ không biến dạng, tức là xem điểm đặt của ngoại lực không đổi trong khi vật thể bị biến dạng. - Áp dụng được nguyên lý độc lập tác dụng (hay còn gọi là nguyên lý cộng tác dụng): "Tác dụng gây ra đồng thời do nhiều yếu tố bằng tổng tác dụng do từng yếu tố riêng rẽ gây ra". 0.4. Lịch sử và sự phát triển của môn học. Sức bền vật liệu là môn khoa học thực nghiệm, được xây dựng trên một số kết quả và giả thuyết rút ra từ những thí nghiệm tương ứng với các bài toán cụ thể, sự lập luận trên cơ sở thực nghiệm vừa mang tính khoa học vừa giúp cho việc thiết lập các công thức tính toán ít phức tạp hơn về mặt toán học. Vào thế kỷ 17 Nhà bác học Galiles đã làm thí nghiệm về sự chịu lực của một dầm Côngxon để làm cơ sở cho các thiết kế và đóng các tàu biển phục vụ cho sự phát triển hàng hải. Nhưng trên thực tế trong thế kỷ 17 chưa có các công trình tầm cỡ. Sự phát triển môn học Sức bền và các môn học của cơ học thực sự phát triển từ thế kỷ 18 đến nay. Năm 1729 Buynphighe đã đưa ra lý thuyết về quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng. Sau đó năm 1768 Hooke cho rằng ở một giai đoạn nào đó thì quan hệ ứng suất và biến dạng là quan hệ tỷ lệ thuận. Và trong các bài toán của Sức bền vật liệu chủ yếu vật liệu làm việc tuân theo định luật Hooke này. Các nhà bác học như Poisson, Euler, Lomorovsov, Ortrografski... đã có nhiều đóng góp cho sự phát triển của cơ học nói chung và cho môn học Sức bền vật liệu nói riêng. Nhà bác học Người Pháp Navie đã cho ra đời giáo trình Sức bền vật liệu đầu tiên vào cuối thế kỷ 18. Sự phát triển môn học Sức bền vật liệu gắn liền với sự phát triển của lý thuyết đàn hồi tuyến tính và đàn hồi phi tuyến. Một số bài toán không thể chứng minh qua con đường lập luận từ khoa học thực nghiệm mà cần phải giải bằng Lý thuyết đàn hồi. Vào cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, Ngành cơ học biến dạng đã phát triển hết sức rộng lớn, 13cùng với sự ra đời và phát triển của công nghệ thông tin, những thành tựu về Toán học và Vật liệu đã yêu cầu và tạo điều kiện cho ngành cơ học vật rắn biến dạng phát triển. Người ta ứng dụng các phương pháp sai phân, biến phân, phần tử hữu hạn... trong việc giải các bài toán mà trước đây chưa giải được hoặc giải rất khó khăn. Cũng từ đó nhiều lý thuyết về các vật liệu dị hướng, vật liệu có độ bền lớn, vật liệu làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và trong các môi trường ăn mòn khác nhau phát triển. Trong thế kỷ 20 còn xuất hiện lý thuyết dẻo, đàn nhớt, đàn dẻo, lý thuyết từ biến, lưu biến, lý thuyết phá hủy... đã giúp chúng ta nghiên cứu sâu hơn và toàn diện hơn sự làm việc, đồ bền, độ cứng vững, độ ổn định... của các bài toàn thực tế, do sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày nay đòi hỏi. Cơ học là một lĩnh vực rộng lớn, có thể là môi trường liên tục, môi trường rời rạc, môi trường thủy, khí, môi trường nhiệt...Vì vậy những phương trình cân bằng về cơ bản giống nhau, tùy theo môi trường cụ thể mà thay đổi một số thông số và hệ số, nhưng những phương trình này vẫn là những phương trình vi phân đạo hàm riêng. Có thể nói điều quan tâm trước tiên của cơ học vật rắn biến dạng là quan hệ giữa ứng suất và biến dạng xuất hiện trong vật liệu trong quá trình tác động của tải trọng. Về mặt toán học ứng suất là một hàm số của biến dạng: σ = f(ε) (0-1) Trong đó:σ-Ứng suất; ε-Biến dạng. - Nếu vật liệu làm việc tuân theo định luật Hooke thì phương trình trên tuyến tính hay còn gọi là đàn hồi tuyến tính. - Nếu quan hệ đó không phải là tuyến tính bậc nhất nhưng vẫn thỏa mãn điều kiện quá trình đặt tải và cất tải là thuận nghịch. Nghĩa là khi đặt tải, quan hệ giữa ứng suất σ và biến dạng ε là đường cong OAB, thì khi cất tải tương quan đó cũng giảm theo đường BAO (đường không liên tục BAO thực tế trùng với đường liên tục BAO-trên hình BAO được vẽ tách ra để dễ nhìn) và biến dạng mất đi hoàn toàn khi không còn tải (xem hình 0.2). Ta xem bài toán này là đàn hồi nhưng không phải tuyến tính mà là đàn hồi phi tuyến và biểu thức (0.1) vẫn phù hợp. Chúng ta hãy xét thí nghiệm kéo một mẫu thép (đại diện cho vật liệu dẻo), thì quan hệ giưã ứng suất và biến dạng được trình bày trên hình 0.3. Rõ ràng giai đoạn đầu OA là đàn hồi tuyến tính vận liệu làm việc tuân theo định luật Hooke, tức là ứng suất và biến dạng là quan hệ bậc nhất. Đến điểm B nào đó, nếu ta cất tải thì nó không theo đường cũ mà nó đi theo đường song song với OA. Khi tải trọng Hình 0.2: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ε ABOσ ε σ A B C O P∆l Hình 0.3: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng khi kéo thépHình 0.5: Hiện tượng nớiHình 0.4: Hiện tượng sau tác dụng (dão) 14không còn nữa, vật thể còn có một lượng biến dạng thể hiện bằng đoạn OC. Biến dạng này được gọi là biến dạng dẻo (hay biến dạng dư). Lý thuyết nghiên cứu quy luật hình thành biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất tương ứng được gọi là lý thuyết dẻo. Chúng ta hãy lưu ý các tính chất sau đây của vật liệu: Một thanh thép treo chịu tác dụng lực kéo (hình 0.4), khi đặt tải P gây nên một độ giãn dài ∆l nào đó. Nếu để lực P không đổi này tồn tại lâu dài thì độ giãn tiếp tục tăng lên mặc dù sự tăng này rất chậm, hiện tượng này càng rõ rệt khi vật liệu làm việc ở môi trường nhiệt độ cao. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng sau tác dụng hay hiện tượng dão. Một ví dụ khác: ta siết chặt êcu để ghép 2 tấm thép với nhau (hình 0.5) bằng một lực nào đó, nghĩa là đã tạo cho bulông một giá trị ứng suất nhất định. Nhưng đến một thời gian đủ dài nào đó ta nhận thấy êcu lỏng ra, nghĩa là ứng suất trong bulông giảm đi. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng nới. Hiện tượng sau tác dụng và hiện tượng nới đều thể hiện một bản chất của vật liệu đó là biến dạng tiếp tục thay đổi khi ứng suất do P sinh ra không đổi hay ứng suất giảm (mối nối lỏng ra), khi biến dạng không thay đổi (khoảng cách ban đầu của 2 tấm thép đã xác định) được gọi chung là hiện tượng từ biến. Hiện tượng từ biến xuất hiện cả trong giai đoạn đàn hồi và giai đoạn chảy dẻo. Vì vậy lý thuyết từ biến được ứng dụng trong lý thuyết đàn hồi và cả lý thuyết dẻo. Gần đây đã phát sinh một ngành mới là lý thuyết cảm biến. Nó nghiên cứu những quy luật chung về sự phát sinh và phát triển của biến dạng theo thời gian của vật liệu do những nguyên nhân khác nhau trong những điều kiện nhiệt động và hóa lý khác nhau. Lý thuyết cảm biến giúp cho ta xác định được biến dạng và ứng suất tại một điểm bất kỳ trong vật thể ở một thời điểm nào đó khi biết các thông số của các yếu tố tác động bên ngoài và quá trình biến đổi các thông số đó. CÂU HỎI TỰ HỌC : 0.1. Những nhiệm vụ chính của môn sức bền vật liệu ? 0.2. Những nhân tố nào thúc đẩy sự phát triển của môn học ? 0.3. Đối tượng nghiên cứu của môn học? 0.4. Các giả thuyết cơ bản, giải thích các giả thuyết đó. 0.5. Những nét chính của các môn học khác liên quan đến môn Sức bền vật liệu. - - ♣♣♣♣♣- - 15Chương 1 LÝ THUYẾT VỀ NỘI LỰC 1.1. NỘI LỰC - PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT (PPMC). 1.1.1. Định nghĩa nội lực. Trong vật thể, giữa các phần tử có các lực liên kết để giữ cho vật thể có một hình dáng nhất định. Khi có ngoại lực tác dụng, vật thể bị biến dạng, lực liên kết thay đổi để chống lại biến dạng do ngoại lực gây ra. Lượng thay đổi của lực liên kết gọi là nội lực. 1.1.2 Phương pháp mặt cắt (ppmc). Để xác định nội lực trên mặt cắt ngang chứa điểm K của vật thể chịu lực như hình1.1, ta dùng ppmc như sau: Tưởng tượng dùng mặt phẳng (π) qua điểm K và thẳng góc với trục thanh, cắt vật thể ra hai phần (A) và (B), (hình1.2). Xét sự cân bằng của một phần, ví dụ phần (A), (hình 1.3). Phần (A) được cân bằng nhờ nội lực của phần (B) tác dụng lên phần (A). Nội lực này phân bố trên diện tích mặt cắt của phần (A) và hợp lực của chúng cân bằng với các ngoại lực thuộc phần đang xét (A). Ngược lại nếu ta xét sự cân bằng của phần B, thì phần A cũng tác dụng lên B các nội lực tương tự nhưng có chiều ngược lại. 1.1.3. Khái niệm về ứng suất. Chung quanh điểm K (trên mặt cắt thuộc phần A), ta lấy một phân tố điện tích vô cùng bé ∆F, hợp lực của nội lực tác dụng lên ∆F là P∆, (hình 1.4; 1.5). Ta có :P//FP∆∆∆ Ta gọi FPptb∆∆= là ứng suất trung bình tại K. FPlimplimp0Ftb0F∆∆==→∆→∆: ứng suất toàn phần hay là ứng suất thực (gọi tắt là ứng suất) tại K. Thứ nguyên của ứng suất là ⎥⎦⎤⎢⎣⎡2)daìichiãöu(læûc, đơn vị thường dùng KN/cm2, MN/m2 Thường người ta phân ứng suất ra hai thành phầ: - Thành phần vuông góc với mặt cắt gọi là ứng suất pháp, ký hiệu σ. - Thành phần nằm trong mặt cắt gọi là ứng suất tiếp, kí hiệu τ. Như vậy 22P τ+σ= , P: Độ lớn của ứng suất tại K. P3 P1 P2 P5 P4 P6 Hình 1.1:Một vật thể chịulựcHình 1.3: Sự cân bằng lựcphầnAA P1 P2 P3 K P5 P3 P1 P2 P4 P6 π K A B Hình1.2: Phương pháp mặtcắtK 16 Trong nhiều trường hợp thành phần ứng suất tiếp trên mặt cắt còn được phân thành hai thành phần theo hai phương vuông góc nào đó. - Ứng suất pháp được coi là dương khi nó cùng chiều với pháp tuyến ngoài n của mặt cắt (ứng suất kéo), ngược lại là âm (ứng suất nén), (xem hình 1.6a). - Ứng suất tiếp được coi là dương khi pháp tuyến ngoài n của mặt cắt quay một góc 900 cùng với chiều kim đồng hồ (trong mặt phẳng (n,τ) thì chiều của pháp tuyến đó trùng với chiều của ứng suất tiếp, ngược lại ứng suất tiếp được coi là âm, (xem hình 1.6 b). 1.2. CÁC THÀNH PHẦN NỘI LỰC. Người ta thường thu gọn hợp lực của hệ nội lực về trọng tâm O của mặt cắt ngang. Sự thu gọn đó cho ta một lực R và một mô men M. Nói chung R và M có phương, chiều bất kỳ trong không gian. Để tính toán, ta phân R ra thành ba thành phần (ta thường chọn Oxyz sao cho Ox, Oz nằm trong mặt cắt ngang và Oy hướng xuống, Oz trùng trục thanh), hình 1.7: - Thành phần nằm trên trục z gọi là lực dọc và kí hiệu Nz. - Thành phần nằm trên trục x, y gọi là các lực cắt và kí hiệu Qx, Qy. Ta cũng phân M ra ba thành phần: - Các thành phần quay quanh trục x và y gọi là các mô men uốn và kí hiệu Mx, My. - Thành phần quay quanh trục z gọi là mô men xoắn và kí hiệu Mz. Nz, Qx, Qy, Mx, My, Mz là 6 thành phần nội lực trên mặt cắt ngang và chúng được xác định từ điều kiện cân bằng của phần đang xét: 0PNn1iizz=+∑= Hình 1.6: Ứng suất, a- Ứng suất chiều dương; b-Ứng suất chiều âmτ > 0 τ < 0 σ > 0 σ < 0 nn a) b)Hình 1. 4:Hợp lực củanộilựcP3 P2 P1 P∆∆F Hình 1.5: Ứng suấtP1 P2 P3 Prσr τ K K (A) (A) Hình 1.7: Các thành phần của nộilựcyxP1 P2 P3 (A) Nz Qx Qy My Mx Mz O z 17 0PQn1iixx=+∑= 0PQn1iiyy=+∑= Trong đó: ∑izp, ∑ixp, ∑iyp là tổng hình chiếu của tất cả các ngoại lực thuộc phần đang xét lên các trục z, x, y. 0)P(mMn1iixx=+∑= 0)P(mMn1iiyy=+∑= 0)P(mMn1iizz=+∑= Trong đó:∑)P(mix,∑)P(miy,∑)P(miz là tổng mô men của tất cả các ngoại lực thuộc phần đang xét quay quanh các trục x, y, z. * Liên hệ giữa các thành phần ứng suất và các thành phần nội lực. Các thành phần nội lực tác dụng trên diện tích vô cùng bé (VCB) dF lần lượt là σzdF, τzxdF, τzydF. Lấy tổng nội lực vi phân này trên toàn diện tích mặt cắt ngang phải chính là các thành phần nội lực. Do đó : ∫=FzzdFNσ ; ∫=FzxxdFQτ ; ∫=FzyydFQτ ∫=FzxydFMσ; ∫=FzyxdFMσ; ∫−=FzyzxzdF)xy(Mττ 1.3. BÀI TOÁN PHẲNG - BIỂU ĐỒ NỘI LỰC. Khi ngoại lực tác dụng nằm trong một mặt phẳng chứa trục thanh (xem hình 1.8), ở hình này các lực tác dụng trong mặt phẳng (yoz), thì hợp lực của nội lực cũng nằm trong mặt phẳng đó, ta có bài toán phẳng. * Các thành phần nội lực: Chỉ có ba thành phần Nz, Mx, Qy nằm trong mặt phẳng yoz. Qui ước dấu: Qui ước dương của nội lực trong bài toán phẳng như trên hình 1.9 và hình 1.10. Nz > 0 khi có chiều hướng ra mặt cắt. Qy > 0 khi có khuynh hướng quay mặt cắt đang xét theo chiều kim đồng hồ (hoặc dấu của Qy giống dấu của τ). P2 P1 P3 n m P5 P4 P6 Hình 1.8: Một vật thể chịulựczy 18 Mx > 0 khi nó làm căng các thớ về phía y > 0 (phía dưới).Ngược lại các nội lực âm. * Ví dụ 1: Cho một thanh chịu lực như hình 1.11a. Hãy xác định nội lực và vẽ biểu đồ nội lực Ta sử dụng phương pháp mặt cắt: Tưởng tượng có một mặt cắt [11] vuông góc với trục thanh và cách đầu tự do một đoạn là z. Ta xét sự cân bằng phần trái (hình 1.11b), để đoạn thanh đang xét được cân bằng thì tại mặt cắt [11] xuất hiện nội lực là Qy và mô men xoay quanh trục x là Mx. Ban đầu chúng ta giả định Qy và Mx tác dụng ở mặt cắt [11] là dương theo quy định. Nếu kết quả tính tóan mà Qy, Mx có dấu + thì coi như giả định ban đầu của ta là đúng và Qy, Mx đúng là dương theo quy định. Nếu kết qủa tính toán mà Qy, Mx mang dấu -, thì ta phải đổi chiều Qy và Mx trở lại, cũng có nghĩa là nội lực âm theo quy định ở trên. Bây giờ ta sử dụng các phương trình cân bằng tĩnh học thông thường trong cơ lý thuyết hay các phương trình đã trình bày ở trên để xác định Qy và Mx. Chú ý: - Khi chiếu lên một trục nào đó thì các mô men là ngẫu lực không có trong phương trình. a) b)c)(Qy) P z l 1 1 O x z y 1 1 Qy Mx z P Hình 1.11. Vẽ biểu đồ nội lực: a- Một dầm chịu lực; b-Xét sự cân bằng lực của phần dầm, c- Biểu đồ lực cắt Qy; d- Biểu đồ mô men Myd) (Mx) P2 P1 P3 Hình1.9:Các thành phần nội lực và chiều dương ở phần bên trái của mặt y n m Qy>0MX>0Nz>0P5 P4 y xMX>0Qy>0Nz> 0n m Hình 1.10: Các thành phần nội lực và chiều dương ở phần bên phải của mặt cắt m-n 19 - Khi lấy mô men đối với một điểm nào đó thì lực qua điểm đó có mô men bằng 0. (1) Phương trình 1: 0PQn1iiyy=+∑= Suy ra Qy - P = 0, vậy Qy = +P Như vậy lực cắt Qy = +P, dấu ta giả định ban đầu là đúng và không phụ thuộc z. (2) Phương trình 2: 0)P(mMn1iixx=⋅+∑= Tức là Mx - Px⋅z = 0 Suy ra Mx = +P⋅z Như vậy Mx = +Px⋅z , dấu mô men giả định ban đầu là căng phía dưới (phía dương của trục y) là đúng và Mx là hàm bậc nhất phụ thuộc vào tọa độ z. Cuối cùng ta vẽ biểu đồ Qy và Mx như ở hình 1.11c, 1.11d. * Ví dụ 2: Cho một dầm chịu lực như hình vẽ 1.12a. Hãy xác định lực cắt Qy, mô men uốn Mx và vẽ biểu đồ của chúng. Khi ngoại lực tác dụng nằm trong một mặt phẳng chứa trục thanh, ví dụ mặt phẳng (yoz) thì hợp lực của nội lực cũng nằm trong mặt phẳng đó, ta có bài toán phẳng. Cũng tương tự như trên, chúng ta cắt thanh bởi mặt cắt [11] vuông góc với trục thanh cách đầu tự do 1 đoạn z và xét sự cân bằng của phần bên trái, ta vẽ lớn ra ở hình 1.12b. Đoạn thanh này cũng phải cân bằng do các lực q, Qy và Mx tác dụng. Chúng ta cũng vẽ Qy, Mx theo chiều dương như đã quy định. Để xác định chúng ta lại sử dụng các phương trình cân bằng tĩnh học, có thể viết ở dạng sau: (1) Phương trình hình chiếu các lực lên trục y: ΣP(y) = Qy + q⋅z = 0 Suy ra Qy = -q⋅z Vậy Qy là hàm bậc nhất theo z (khác với trường hợp ở ví dụ 1 - Dầm chịu lực tập trung P thì Qy là hằng số). Kết quả dấu - chứng tỏ ta giả sử Qy là dương như hình vẽ 1.12b là không đúng ta phải đổi dấu Qy, tức là vẽ lại Qy hướng từ dưới lên trên, vì vậy là Qy âm theo quy định ở trên. (2) Phương trình lấy mô men đối với điểm O1 trọng tâm của mặt cắt [11]: 1Hình 1.12: Xác định nội lực và vẽ biểu đồ nộilựcx y O z11 1 lz z qqql22ql(Qy) (Mx) Qy a) b)c) d) O1 Mx 20 ΣM(O1)= Mx + q⋅z2z = 0 Suy ra: Mx = − 2zq2⋅ Kết quả Mx mang dấu - chứng tỏ chiều Mx ta chọn ban đầu là sai, ta phải cho Mx quay ngược lại, tức là nó làm căng phía âm của trục y hay căng các thớ trên của dầm nên mang dấu - trong biểu đồ. Đồng thời mô men Mx nội lực là một hàm số bậc 2 so với z. Cuối cùng ta xây dựng được các biểu đồ Qy và Mx (trên hình vẽ 1.12c, d). Chú ý bề lõm của đường bậc 2 hứng lấy các mũi tên do q tác dụng. * Ví dụ 3: Cho một dầm chịu lực như hình 1.13a. Hãy xác định nội lực và vẽ biểu đồ của chúng. Bài toán này có khác trước là việc đầu tiên ta phải xác định cho được phản lực ở các gối tựa A và B. Tại A là gối kép, đáng lẽ phản lực tại đó có hai thành phần phản lực theo phương y và phương z, nhưng do lực chỉ có theo phương y thẳng đứng, nên tại A chỉ có thành phần phản lực theo phương y, ta kí hiệu là YA và ở gối tựa B dĩ nhiên chỉ có một thành phần phản lực theo phương y, ta kí hiệu là YB. Để xác định YA và YB, ta phải xét sự cân bằng của toàn dầm do các lực P và hai phản lực YA và YB tác dụng. Chúng ta cũng dùng các phương trình cân bằng thông thường là chiếu tất cả các lực lên trục y và lấy mô men đối với một điểm nào đó (điểm A chẳng hạn). Giải: a) Xác định các phản lực YA và YB. Chiếu các tất cả các lực lên trục y: ()0YYPPBAy=−−=∑ (1) ()02lPlYMBA=⋅−⋅=∑ (2) Giải 2 phương trình (1) và (2), ta được YA = YB = +2P và kết quả có dấu + chứng tỏ chiều phản lực YA và YB đã chọn hướng lên là đúng và giá trị bằng một nửa lực P. Các phản lực YA, YB còn có thể được suy luận ra như sau: Do tính chất đối xứng YA phải bằng YB và đây là hệ lực song song, nên YA + YB = P, vậy: YA = YB = 2P 21 b) Tính toán nội lực trong dầm. Sau khi đã xác định được YA và YB, ta xem như dầm chịu các lực YA, YB và P tác dụng. Đến đây chúng ta thấy bài toán này khác trước ở chỗ tải trọng tác dụng lên dầm không phải không đổi suốt dầm (như ví dụ 1) hay tải trọng phân bổ liên tục suốt dầm (như ví dụ 2), mà để có thể xét nội lực ta phải chia dầm ra một số đoạn sao cho trong mỗi đoạn tải trọng là hằng số hoặc một hàm số liên tục và xét nội lực cho từng đoạn đó rồi nối lại. Với nguyên tắc này ta phải chia dầm ra làm hai đoạn: (1) Đoạn 1 là từ A - C tức là: 0 ≤ z ≤ 2l. Ta tiến hành xét nội lực trong đoạn này như ví dụ 1 và ví dụ 2. Trước hết ta lại tưởng tượng có một mặt cắt [11] vuông góc với trục thanh và cách đầu A là z (tất nhiên mặt cắt này trong giới hạn A-C). Giữ lại phần trái chẳng hạn (xem hình 1.13b). Ta xét sự cân bằng của nó khi đã giả định chiều của Qy và Mx ở mặt cắt [11]. - Tính lực cắt Qy. Chiếu tất cả các lực lên trục y, ta có: ΣP(y) = Qy - YA = 0 Suy ra Qy = + YA , kết quả mang dấu +, chứng tỏ chiều của Qy ta vẽ ban đầu là đúng và theo quy định Qy này là dương. Qy trong đoạn AC là hằng số không phụ thuộc vào z. - Tính mô men Mx . Lấy mô men đối với trọng tâm O1 của mặt cắt [11] ,ta có: ()∑1oM= Mx - YA⋅z = 0 Hình 1.13: Xác định nội lực và vẽ biểu đồ nội lực cho một dầm chịu lực như hình a (Mx) (Qy) Mx Qy 2 2 YB YA l-z 2p−2p4PlYA YB l/2 l/2 1 1 2 2 C A B x y O z z Mx Qy a) d) e) b) c) P A O1 O2 22 Suy ra Mx = +YA⋅z, kết quả dấu +, chứng tỏ ta chọn chiều của mô men Mx như hình 1.13b là đúng và mô men này dương vì nó làm căng phía dưới hay phần dương của trục y. Mô men Mx là hàm số bậc nhất của tọa độ z. Như vậy nội lực trong đoạn AC đã được xác định, ta hoàn toàn có thể vẽ biểu đồ Qy, Mx trong đoạn này. (2) Đoạn CB : lz2l≤≤ Với cách làm tương tự như trên, ta tưởng tượng có mặt cắt [22] cách đầu A một đoạn là z hay cách đầu B một đoạn là (l-z). Mặt cắt này chia thanh ra làm 2 phần. Nếu xét phần bên trái thì tại mặt cắt này nội lực sinh ra do YA, P gây ra và cách xác định hoàn toàn như vừa rồi. Nhưng ta cũng có thể giữ lại và xét sự cân bằng phần bên phải (như hình 1.13c), xét phần phải này đơn giản hơn vì ngoài nội lực chỉ có thêm YB tham gia vào các phương trình cân bằng thôi. Kết qủa tính được cũng giống nhau về trị số và dấu như khi xét sự cân bằng phần trái. - Tính lực Qy. Chiếu các lực lên trục y (xem hình 1.13c). ΣP(y) = - Qy -YB =0 Suy ra Qy = -YB , kết quả mang dấu (-) ; chứng tỏ chiều Qy ta chọn dương như hình vẽ là không đúng và Qy phải được đổi chiều lại là âm theo quy định. Qy không phụ thuộc tọa độ z. -Tính mô men Mx. Lấy mô men đối với trọng tâm O2 của mặt cắt [22], (xem hình 1.13c). ()∑2oM= YB (l-z) - Mx = 0 Vậy : Mx = +YB (l-z) Kết quả dấu +, chứng tỏ là ta chọn dấu của Mx ban đầu là đúng và nó làm căng các thớ dưới hay căng phía dương của trục y là dương; Mx là hàm số bậc nhất của z. Tóm lại, chúng ta đã xác định được lực cắt Qy ở đoạn AC là dương có trị số 2P và đoạn CB có lực cắt Qy là âm và giá trị là2P. Mô men nội lực ở 2 đoạn đều dương. Ta có thể vẽ lần lượt biểu đồ nội lực của hai đoạn AC và CB như ở các hình 1.13d và 1.13e. * Ví dụ 4: Cho một dầm chịu lực như hình 1.14. Xác định trị số các nội lực tại mặt cắt 1-1 cách gối tựa trái 14m. z HA Hình 1.14: Xác định nội lực tại mặt cắt11củadầmM=44kN.mP=20kN q=1kN/m A D B C O y 14m 10m8m 6m 1 1 VA VB