Giáo trình Sức bền vật liệu - Chương 4: Trạng thái ứng suất
Xét một điểm K trong một vật thể cân
bằng và các mặt cắt qua K, trên các mặt
cắt ấy có các ứng suất pháp σ và ứng suất
tiếp τ. Các ứng suất này thay đổi tùy vị trí
mặt cắt (H.4.1).
Định nghĩa TTỨS: TTƯS tại một điểm
là tập hợp tất cả những ứng suất trên các
mặt đi qua điểm ấý.
TTƯS tại một điểm đặc trưng cho mức độ chịu lực của vật thể tại điểm
đó. Nghiên cứu TTƯS là tìm đặc điểm và liên hệ giữa các ứng suất σ , τ,
xác định ứng suất lớn nhất, nhỏ nhất để tính toán độ bền hay giải thích,
đoán biết dạng phá hỏng của vật thể chịu lực.
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Sức bền vật liệu - Chương 4: Trạng thái ứng suất", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Giáo trình Sức bền vật liệu - Chương 4: Trạng thái ứng suất
GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 1 Chương 4 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT 4.1 NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT. 4.1.1 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT (TTƯS)TẠI MỘT ĐIỂM. Xét một điểm K trong một vật thể cân bằng và các mặt cắt qua K, trên các mặt cắt ấy có các ứng suất pháp σ và ứng suất tiếp τ. Các ứng suất này thay đổi tùy vị trí mặt cắt (H.4.1). Định nghĩa TTỨS: TTƯS tại một điểm là tập hợp tất cảû những ứng suất trên các mặt đi qua điểm ấý. TTƯS tại một điểm đặc trưng cho mức độ chịu lực của vật thể tại điểm đó. Nghiên cứu TTƯS là tìm đặc điểm và liên hệ giữa các ứng suất σ , τ, xác định ứng suất lớn nhất, nhỏ nhất để tính toán độ bền hay giải thích, đoán biết dạng phá hỏng của vật thể chịu lực. 4.1.2 Biểu diễn TTƯS tại một điểm Tưởng tượng tách một phân tố hình hộp vô cùng bé bao quanh điểm K. Các mặt phân tố song song với các trục toạ độ (H 4.2). Trên các mặt của phân tố sẽ có chín thành phần ứng suất: +Ba ứng suất pháp: σx , σy , σz +Sáu ứng suất tiếp. τxy , τyx , τxz , τzx , τyz , τzy , Ứng suất pháp σ có 1 chỉ số chỉ phương pháp tuyến mặt có σ . Ứng suất tiếp τ có hai chỉ số: Chỉ số thứ nhất chỉ phương pháp tuyến của mặt cắt có τ, chỉ số thứ hai chỉ phương của τ. • σ τ K P4 P3 P2P1 y x H.4.1. Ứng suất tại một điểmz z x y τ yz τ zy τ zx τ xz τxy τyx σ y σ xσ z H.4.2 Các thành phần ứng suất GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 2 4.1.3 Định luật đối ứng của ứng suất tiếp Trên hai mặt vuông góc, nếu mặt nầy có ứng suất tiếp hướng vào cạnh ( hướng ra khỏi cạnh ) thì mặt kia cũng có ứng suất tiếp hướng vào cạnh ( hướng ra khỏi cạnh ), trị số hai ứng suất bằng nhau ( H.4.3) ⎮τxy ⎮ = ⎮τyx ⎮; ⎮τxz⎮=⎮τzx⎮ ; ⎮τyz ⎮ =⎮τzy ⎮ (4.1) TTỨS tại một điểm còn 6 thành phần ứng suất 4.1.4 Mặt chính, phương chính và ứng suất chính. Phân loại TTƯS Lý thuyết đàn hồi đã chứng minh rằng tại một điểm bất kỳ của vật thể chịu lực luôn tìm được một phân tố hình hộp vuông góc mà trên các mặt của phân tố đó chỉ có ứng suất pháp, mà không có ứng suất tiếp (H4.4a). Những mặt đó gọi là mặt chính. Pháp tuyến của mặt chính gọi là phương chính. Ứng suất pháp trên mặt chính gọi là ứng suất chính và ký hiệu là: σ1 , σ2 và σ3. Quy ước: σ1 > σ2 > σ3. Thí dụ : σ1 = 200 N/cm2; σ2 = −400 N/cm2; σ3 = −500 N/cm2 Phân loại TTƯS : - TTƯS khối : Ba ứng suất chính khác không (H.4.4a). - TTƯS phẳng: Hai ứng suất chính khác không (H.4.4b). - TTƯS đơn: Một ứng suất chính khác không (H.4.4c). H. 4.4 Các loại trạng thái ứng suất b) a) c) τ τ GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 3 TTƯS khối và TTƯS phẳng gọi là TTƯS phức tạp. 4.2 TTỨS TRONG BÀI TOÁN PHẲNG- PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH. 4.2.1 Cách biểu diễn – Quy ưóc dấu Cách biểu diển: Xét một phân tố (H.4.5a). Ứng suất trên mặt vuông góc với trục z bằng không và mặt này là một mặt chính vì có ứng suất tiếp bằng không. Để dễ hình dung, ta biểu diễn phân tố đang xét bằng hình chiếu của toàn phân tố lên mặt phẳng Kxy (H.4.5b). Quy ước dấu: + σ > 0 khi gây kéo ( hướng ra ngoài mặt cắt) + τ > 0 khi làm cho phân tố quay thuận kim đồng hồ Hình 4.5b biểu diển các ứng suất > 0 (qui ước nầy phù hợp với bài toán thanh) 4.2.2 Ứng suất trên mặt cắt nghiêng bất kỳ Vấn đề: Xác định ứng suất trên mặt cắt nghiêng song song với trục z và có pháp tuyến u tạo với trục x một góc α (α > 0 khi quay ngược chiều kim đồng hồ kể từ trục x ) (H.4.6a). Giả thiết đã biết ứng suất σx, σy và τxy. ♦ Tính σu và τuv : Tưởng tượng cắt phân tố bằng mặt cắt nghiêng đã nêu, mặt cắt chia phân tố ra làm hai phần, xét cân bằng của một phần phân tố (H.4.6b) H. 4.5 TTỨS trong bài toán phẳng a)z x y σy σx σx τxy τyx K σx σ τxy σ y τ y x b) σu u v τuv ασxσx σy σy τxy τyx τyx τxy σx σy x y z a) b) GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 4 Trên mặt nghiêng có ứng suất σu và τuv , chúng được xác định từ phương trình cân bằng tĩnh học. * ∑U=0 ⇒ 0cossinsincos =+−+− ατασατασσ dzdxdzdxdzdydzdydsdz xyyxyxu * ∑V=0 ⇒ 0sincoscossin =++−− ατασαταστ dzdxdzdxdzdydzdydsdz xyyxyxuv Kể đến: ⎮τxy ⎮ = ⎮τyx ⎮; dx = ds sinα ; dy = ds cosα, ααα αααα 2sin 2 1cossin )2cos1( 2 1);2cos1( 2 1cos2 = −=+= 2sin ⇒ ατασσσσσ 2sin2cos22 xy yxyx u −−++= (4.2a) ατασστ 2cos2sin2 xy yx uv +−+= (4.2b) ♦ Tính σv : Xét mặt nghiêng có pháp tuyến v, vuông góc mặt có pháp tuyến u (H.4.7). Thay thế α bằng (α + 90°) vào (4.2a) , ⇒ ứng suất pháp tác dụng trên mặt có pháp tuyến v: ατασσσσσ 2sin2cos 22 xy yxyx v +−−+= (4.3) Tổng (4.2a) và (4.3), ⇒ b) σ y τ yx τxy τ uv u v x y α σ x σ u H.4.6 Ứng suất trên mặt nghiêng τuv τ xy τ yx σ u dx dy dz ds σ y x y z v u α a) α σ x H. 4.7 Ứng suất trên 2 mặt vuông góc nhau τ uv τ vu v u x α α + 90 o σ u σ v GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 5 yxvu σσσσ +=+ (4.4) Biểu thức trên cho thấy, tổng ứng suất pháp tác dụng trên hai mặt vuông góc của phân tố ứng suất phẳng tại một điểm là hằng số và không phụ thuộc vào góc α. Đó là Bất Biến Thứ Nhất của ứng suất pháp Thí dụ 4.1 Thanh có diện tích 5 cm2, chịu kéo với lực P = 40 kN. Xác định ứng suất trên mặt cắt nghiêng một góc 30o với mặt cắt ngang (H.4.8). Giải Ứng suất pháp trên mặt cắt ngang (Chương 3) 2kN/cm 8 5 40 === F P xσ Tách phân tố hình hộp bao điểm K nằm trên mặt cắt ngang. Ta cóù: 2kN/cm 8+=xσ , 0=yσ Mặt cắt nghiêng có pháp tuyến hợp với trục với trục x (trục thanh) một góc( +30o ). Từ (4.2) ⇒ ( ) 2 2 kN/cm 46,330.2sin 2 82sin 2 kN/cm 630.2cos1 2 82cos 22 +=+=+= =+=+= ox uv oxx n αστ ασσσ 4.2.3 Ứng suất chính - Phương chính - Ứng suất pháp cực trị 1- Ứng suất chính - phương chính Ngoài mặt chính là mặt đã biết vuông góc với trục z, hai mặt chính còn lại là những mặt song song với trục z (vì phải vuông góc với mặt chính đã có). Mặt chính là mặt có ứng suất tiếp = 0 ⇒ Tìm hai mặt chính còn lại bằng cách cho uvτ =0 H. 4.9 Ứng suất chính x σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 ) 1 ( o α o o o 90 ) 1 ( ) 2 ( + = α α H.4.8 σ u σx v u 30 τ uv σu P P = 40 kN K 30 o u v τuv GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 6 Nếu gọi oα là góc của trục x hợp với phương chính thì điều kiện để tìm phương chính là: uvτ =0 ⇔ 02cos2sin2 =+ −+ ατασσ xyyx ⇒ Phương trình xác định α0 : βσσ τα tantan =−−= yx xy o 2 2 (4.5) 22 πβα ko ±= ⇒ 201 βα = và 2202 πβα ±= (4.5) cho thấy có hai giá trị α0 sai biệt nhau 90°. Vì vậy, có hai mặt chính vuông góc với nhau và song song với trục z. Trên mỗi mặt chính có một ứng suất chính tác dụng. Hai ứng suất chính này cũng là ứng suất pháp cực trị (ký hiệu là σmax hay σmin ) bởi vì yx xyu dz d σσ τασ −−=⇔= 2 2tan0 giống với (4.5) Giáù trị ứng suất chính hay ứng suất pháp cực trị có thể tính được bằng cách thế ngược trị số của α trong (4.5) vào (4.2a). Để ý rằng: oo o o ααα αα 2tan1 1; 2tan1 2tan2sin 22 +±=+±= ocos2 ⇒ 2 2 3,1 min max 22 xy yxyx τσσσσσσ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −±+== (4.6) Ta lại thấy σ max + σ min = σ 1 + σ 3 = σ x + σ y Thí dụ 4.2 Tìm ứng suất chính và phương chính của TTƯS (H.4.10a). Đơn vị của ứng suất là kN/cm2. Giải Theo quy ước dấu, ta có: 2 y 2 kN/cm 2 ;kN/cm 4 == σσ x 2kN/cm 1 +=xyτ Phương chính xác định từ (4.5): 1 24 222tan −=− −=−−= yx xy o σσ τα ⇒ ooo k180452 +−=α ⇒ '3067;'3022 )2()1( oooo =−= αα (i) a) H. 4.10 y x 1 4 2 b) x y σ1 σ2 67o30’ 22o30’ GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 7 Có 2 phương chính ( 2 mặt chính) vuông góc nhau Các ứng suất chính được xác định từ (4.6): ⎪⎩ ⎪⎨⎧=±=+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −±+= 2 2 kN/cm kN/cm 58,1 41,4 231 2 24 2 24 2 min maxσ (ii) Để xác định mặt chính nào từ (i) có ứng suất chính (ii) tác dụng, ta dùng (4.2b), chẳng hạn với '3022)1( oo −=α , ta có: ( ) ( ) 2kN/cm 41,4'30222sin1'30222cos 2 24 2 24 =−−−−++= oouσ Vậy : σ1 = 4,41 kN/cm2 ứng với góc nghiêng '3022)1( oo −=α , σ2 = 1,58 kN/cm2 tác dụng trên mặt có '3067)2( oo −=α . Các mặt và ứng suất chính biểu diễn trên phân tố ở H.4.10b. 2- Ứng suất tiếp cực trị Tìm ứng suất tiếp cực trị và mặt nghiêng trên đó có ứng suất tiếp cực trị bằng cách cho 0=α τ d d uv 02sin22cos)( =−−= ατασσα τ xyyx uv d d (4.7) ⇔ =−= xy yx τ σσα 2 2tan (4.7) So sánh (4.7) với (4.5) ⇒ oαα 2tan 12tan −= (4.8) ⇒ oo k9022 ±= αα hay oo k45±= αα ⇒ Mặt có ứng suất tiếp cực trị hợp với những mặt chính một góc 45°. Thế (4.8) vào (4.2b), ta được : 2 2 min max 2 xy yx τσστ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −±= (4.9) 4.2.4 Các trường hợp đặc biệt 1- TTƯS phẳng đặc biệt Phân tố trên H.4.12 có: 0; xy ττσσσ === yx ; Từ (4.6) ⇒ σ τ TTUSphẳng đặc biệt τ TTUS Trượt thuần tuý H. 4.13 H. 4.11Ứng suất tiếp cực trị o o 45 ) 2( ) 2( 1 + = αα τ max σ H.4.12 GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 8 22 ,1 min max 42 1 2 τσσσσ +±== 3 (4.10) Phân tố có 2 ứng suất chính ( sẽ gặp ở trường hợp thanh chịu uốn ). 2- TTƯS trượt thuần túy (H.4.13) Ở đây, ττσσ === xyyx ;0 ;Thay vào (4.6) ⇒ τσσ ±== 3 ,1 min max hay τσσ =−= 31 (4.11) Hai phương chính được xác định theo (4.5): ∞=oα2tan ⇔ 24 ππα ko += (4.12) Những phương chính xiên góc 45o với trục x và y. 3- Trường hợp phân tố chính (H.4.14) Phân tố chính chỉ có σ 1 , σ 3 ,τ = 0; Thay vào (4.9), ta được: 2 31 minmax, σστ −±= (4.13) 4.3 TTỨS TRONG BÀI TOÁN PHẲNG- PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ. 1- Vòng tròn Mohr ứng suất. Công thức xác định ứng suất trên mặt cắt nghiêng (4.2) có thể biểu diễn dưới dạng hình học bằng vòng tròn Mohr. Để vẽ vòng tròn Mohr, ta sắp xếp lại (4.2) như sau: ατασσσσσ 2sin2cos 22 xy yxyx u −−=+− (4.14) ατασστ 2cos2sin 2 xy yx uv +−= (4.14)’ Bình phương cả hai vế của hai đẳng thức trên rồi cộng lại, ta được: 2 2 2 2 22 xy yx uv yx u τσστσσσ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +− (4.15) Đặt: 2 2 2 ; 2 xy yxyxc τσσσσ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=+= 2R (4.16) (4.15) thành: ( ) 222 Rc uvu =+− τσ (4.17) Trong hệ trục tọa độ, với trục hoành σ và trục tung τ, (4.17) là phương trình của một đường tròn có tâm nằm trên trục hoành với hoành độ là c và có bán kính R . Như vậy, các giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên tất cả các mặt song song với σ1 σ3 H. 4.14 O C σ R C τ H. 4.15 Vòng tròn ứng suất GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 9 trục z của phân tố đều biểu thị bằng tọa độ những điểm trên vòng tròn. Ta gọi vòng tròn biểu thị TTƯS của phân tố là vòng tròn ứng suất hay vòng tròn Mohr ứng suất của phân tố. Cách vẽ vòng tròn: (H.4.16) - Định hệ trục tọa độ τσO : trục hoành σ // trục x, trục tung τ // trục y của phân tố và hướng lên trên. -Trên trục σ định điểm E(σx, 0) và điểm F(σy, 0) Tâm C là trung điểm của EF - Định điểm cực P (σy, τxy ) . - Vòng tròn tâm C, qua P là vòng tròn Mohr cần vẽ Chứng minh: + C là trung điểm của EF ⇒ cyx =+=+= 2 σσ 2 OFOEOC Trong tam giác vuông CPF: xy yx τσσ =−=−= FP ; 2 OFOEFC 2 Do đó ⇒ 22 2 22 2 FPFCCP Rxy yx =+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=+= τσσ 2- Ứng suất trên mặt cắt nghiêng σ x x F C σ P τx y O τ H.4.16 vòng tròn ứng suất Cách vẽ σ y E GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 10 H. 4.17 Định ứng suất trên mặt nghiêng B F C E G A max M max D min uv xy xy y x x y y u uv max P max u x u u minx u uv 2α α Dùng vòng tròn Mohr để tìm ứng suất trên mặt cắt nghiêng của phân tố có pháp tuyến u hợp với trục x một góc α. Cách tìm σu ; τuv Vẽ vòng tròn Mohr như H.4.17. Từ cực P vẽ tia Pu // với phương u cắt vòng tròn tại điểm M. Hoành độ của M = σu ; Tung độ của M = τuv Chứng minh: Ký hiệu 2α1 là góc (CA,CD), 2α là góc (CD,CM). Hình 4.17 cho: ( ) αααασσ αασσ 2sin2sin2cos2cos 2 22cos 2 CGOCOG 11 1 RR R yx yx −++= +++=+= nhưng: xyyxR τασσα ==−== ED2 Rsin CE 1;22cos 1 nên: uxyyxyx σατασσσσ =−−++= 2sin2cos22OG Tương tự, ta có: ( ) uvxy yx RRR τατασσ αααααα =+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= +=+= 2cos2sin 2 2cos2sin2sin2cos22sinGM 111 Ta nhận lại được phương trình (4.2) 3- Định ứng suất chính- phương chính- Ứng suất pháp cực trị GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 11 Trên vòng tròn ứng suất ( H.4.17) Điểm A có hoành độ lớn nha ... tròn lớn nhất, (H.4.24). 2 31 2 σστ −=max, (18) x y z II σ1 σ3 σ2 I III H.4.22. TTƯS khối với mặt cắt nghiêng bất kỳ H.4.24 Ba vòng tròn Mohr ứng suất σ σ1 3 1 2 2σ3O τ τmax,3 τmax,τmax, σ2 σ1 τ Ο σ σ 2 σ3 σ τ 1 σ 2 σ 2 σ 1 τ σ 3 σ σ σ1 σ 2 σ1 τ σ2 H. 4.23TTỨS khối và các mặt // trục chính GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 14 4.4 LIÊN HỆ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG 4.4.1 Định luật Hooke tổng quát 1- Liên hệ ứng suất pháp và biến dạng dài ♦TTƯS đơn: trong chương 3, đã có: Định luật Hooke liên hệ giữa ứng suất pháp và biến dạng dài : E σε = (4.19) ε - biến dạng dài tương đối theo phương σ. Theo phương vuông góc với σ cũng có biến dạng dài tương đối ε’ ngược dấu với ε: E σμμεε −=−=' (4.20) ♦ TTƯS khối: với các ứng suất chính σ 1, σ2 , σ3 theo ba phương chính I, II, III (H.4.25). Tìm biến dạng dài tương đối ε1 theo phương I . Biến dạng dài theo phương I do σ 1 gây ra: E111 )( σ=σε Biến dạng dài theo phương I do σ 2 gây ra: E221 )( σμσε −= Biến dạng dài theo phương I do σ 3 gây ra: E331 )( σμσε −= Biến dạng dài tương đối theo phương I do cả ba ứng suất σ 1, σ2 , σ3 sinh ra sẽ là tổng của ba biến dạng trên: [ ])(1)()()( 3213121111 σσμσσεσεσεε +−=++= E (4.21) Tương tự, biến dạng dài tương đối theo hai phương chính II , III còn lại: ( )[ ]1322 1 σσμσε −−= E (4.22) ( )[ ]2133 1 σσμσε +−= E (4.23) ♦ TTƯS tổng quát: Lý thuyết đàn hồi đã chứng minh đối với vật liệu đàn hồi đẳng hướng, σ chỉ sinh ra biến dạng dài mà không sinh ra biến dạng góc , τ chỉ sinh ra biến dạng góc mà không sinh ra biến dạng dài. ⇒ Trong trường hợp phân tố ở TTƯS tổng quát, vẫn có σ1 σ3 σ2 I II III x y z H.4.25. TTƯS khối GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 15 (4.24) 2-Liên hệ giữa ứng suất tiếp và biến dạng góc ( Định luật Hooke về trượt) Phân tố ở TTƯS trượt thuần tuý (H.4.26). Biến dạng góc (góc trượt) γ biểu thị độ thay đổi góc vuông. Định luật Hooke về trượt: G τγ = (4.25) trong đó: G - là môđun đàn hồi trượt. Thứ nguyên của G là [lực/(chiều dài)2] và đơn vị thường dùng là N/m2 hay MN/m2. Liên hệ giữa E, ν và G như sau: )1(2 μ+= EG (4.26) 4.4.2 Định luật Hooke khối Tính độ biến đổi thể tích của một phân tố hình hộp có các cạnh bằng da1, da2 và da3 . Thể tích của phân tố trước biến dạng là: 321 dadadaVo = Sau biến dạng, phân tố có thể tích là: )da)(da)(( 3322111 dadadadaV Δ+Δ+Δ+= Gọi biến dạng thể tích tương đối là θ, ta có: 3211 εεεθ ++=−= o o V VV (4.27) σ1 σ3 σ2 I II III x y z H.4.27. TTƯS khối ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]yxzz xzyy zyxx E E E σσμσε σσμσε σσμσε +−= +−= +−= 1 1 1 τ γ H. 4.26 TTỨS trượt thuần tuý- Biến dạng góc GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 16 Thế (4.21)(4.22),(4.23) vào (4.27) ⇒ ( )321321 21 σσσμεεεθ ++−=++= E (4.28) đặt tổng ứng suất pháp là: 321 σ+σ+σ=Σ (4.28) thành: ∑−= E μθ 21 (4.29) công thức (4.29) được gọi là định luật Hooke khối biểu thị quan hệ tuyến tính giữa biến dạng thể tích tương đối và tổng ứng suất pháp. Nhận xét : ♦Từ (4.29), nếu vật liệu có hệ số Poisson μ = 0,5 ( cao su), thì θ luôn luôn bằng không tức là thể tích không đổi dưới tác dụng của ngoại lực. ♦ Công thức trên cho thấy θ phụ thuộc vào tổng ứng suất pháp chứ không phụ thuộc vào riêng từng ứng suất pháp. Như vậy, nếu cũng với phân tố ấy ta thay các ứng suất chính bằng một ứng suất trung bình σtb có giá trị bằng trung bình cộng của ba ứng suất chính nói trên: 33 321 σσσσ ++=Σ=tb thì biến dạng thể tích tương đối của phân tố trên vẫn không thay đổi. Thật vậy, với những ứng suất chính là σtb , biến dạng thể tích bằng: ( ) Σ−=++−= EE tbtbtb μσσσμθ 21211 Kết quả trên có ý nghĩa như sau: với phân tố ban đầu là hình lập phương, trong hai trường hợp trên ta thấy thể tích phân tố đều biến đổi như nhau. - Tuy nhiên, trong trường hợp đầu khi các ứng suất chính khác nhau, phân tố vừa biến đổi thể tích vừa biến đổi hình dáng tức là trở thành phân tố hình hộp chữ nhật sau khi biến dạng. - Còn trong trường hợp thứ hai, khi thay các ứng suất chính bằng ứng suất trung bình, phân tố chỉ biến đổi về thể tích mà không biến đổi hình dáng, nghĩa là sau khi biến dạng phân tố vẫn giữ hình lập phương. - Về mặt lý luận, có thể phân phân tố ở TTUS khối chịu các ứng suất chính σ1 , σ2 , σ3 thành 2 phân tố (H. 4.28). Phân tố b) chỉ biến đổi thể tích, phân tố c) chỉ biến đổi hình dáng. GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 17 σ 2 σ 1 σ 3 = σtb σtb σ tb + σ3 - σtb σ1 - σtb σ2 - σtb a) b) c) H.4.28 Phân tích TTUS khối thành 2 TTUS 4.5 THẾ NĂNG BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI ♦ Ở chương 3, phân tố ở TTƯS đơn (thanh bị kéo hoặc nén): Thế năng biến dạng đàn hồi riêng 2σε=u (4.30) ♦ Trong TTƯS khối, sử dụng nguyên lý độc lập tác dụng, ta có thế năng biến dạng đàn hồi riêng bằng: 222 332211 εσεσεσ ++=u (4.31) thay ε1, ε2, ε3 theo định luật Hooke trong (4.21) - (4.23) vào , ⇒ ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]{ }1233132232112 1 σσμσσσσμσσσσμσσ +−++−++−= E u hay ( )[ ]133221232221 221 σσσσσσμσσσ ++−++= Eu (4.32) Ta có thể phân tích thế năng biến dạng đàn hồi u thành hai thành phần: -Thành phần làm đổi thể tích gọi là thế năng biến đổi thể tích utt -Thành phần làm đổi hình dáng gọi là thế năng biến đổi hình dáng uhd Ta có: u = utt + uhd Để tính thế năng biến đổi hình dáng, ta thay các ứng suất σ1, σ2 và σ3 bằng ứng suất (σ1 -σtb ), (σ2 -σtb ), (σ3 -σtb ), tác dụng lên các mặt phân tố. σ 2 σ 1 σ 3 = σtb σtb σtb + σ3 - σtb σ 1 - σ tb σ 2 - σ tb H.4.29 Phân tích TTỨS thành hai TTỨS Thế vào (4.32) ta có thế năng biến đổi hình dáng bằng: ( )[ ] ( )2321133221232221 6 21221 σσσμσσσσσσνσσσ ++−−++−++= EEuhd GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 18 hay : ( )31322123222131 σσσσσσσσσμ −−−+++= Euhd (4.33) ♦ TTƯS đơn , thay σ1 = σ; σ2 = 0; σ3 = 0 vào (4.32) và (4.33), ta được thế năng riêng và thế năng biến đổi hình dáng như sau: 2 2 3 1 ; 2 σμσ E u E u hd +== (4.34 Thí dụ 4.4: Cho phân tố như hình vẽ: ở trạng thái ứng suất phẳng. Tính xε , yε , uε (phương utạo vứi trục x một góc 30 0 . Cho E=104kN/cm2 , μ =0,34 ,α =300 α Ta có 26 cmkNx /=σ 28 cmkNy /=σ 22 cmkN /−=τ 060=α [ ] [ ] 44 10283834061011 −×=−=−= ,),(yxx E μσσε [ ] [ ] 44 10965634081011 −×=−=−= ,),(ỹyyy E μσσε 2232922 22 cmkNxy yxyxõ u /,sincos =− −++= ατασσσσσ [ ] [ ] 2611711 cmkN EE uyxuvuu /,( =−+−=−= σσσμσμσσε x 6kN/cm 2 8kN/cm 2 2kN/cm 2 u y GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 19 Thí dụ 4.5: Một khối lập phương bằng bê tông đặt vừa khít vào rãnh của vật thể A (tuyệt đối cứng) chịu áp suất phân bố đều ở mặt trên P= 1kN/cm2 (H.4.11). Xác định áp lực nén vào vách rãnh, liên hệ giữa ứng suất và biến dạng dài tương đối theo các phương. Độ biến dạng thể tích tuyệt đối. Cho cạnh a = 5 cm; E = 8.102 kN/cm2; μ= 0,36. Chọn hệ trục như hình vẽ.Ta có: khối bê tông ở TTỨSphẳng . 00 =−=≠ zx p σσσ ;kN/cm ; 2y 000 =≠≠ xz εεε ; ; y Định luật Hooke cho biến dạng dài: [ ] )( 01 =+−= zyxx E σσμσε ⇒ 2 kN/cm0,361)-(0,36 −=×=−= px μσ [ ] )-(1 )( 2ησσμσε EpE zxyy −=+−= 1 [ ] [ ] )(1p p)-p(--0 )( μμμμσσμσε +==+−= EEE yxzz 11 Biến dạng thể tích tuyệt đối: [ ] [ ] 0,0559cm- )(, 800 0,36)(2-1 ) 3=××−−×= ++−==Δ 5551360 21 V E V zyxv σσσμθ H.4.11 A P a x y z GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 20 Thídụ4.6 Một tấm mỏng có kích thước như trên H.4.5 chịu tác dụng của ứng suất kéo σ = 30 kN/cm2 theo phương chiều dài của tấm và ứng suất tiếp τ = 15 kN/cm2. a) Xác định ứng suất pháp theo phương đường chéo mn và phương vuông góc với đường chéo b) Tính biến dạng dài tuyệt đối của đường chéo mn. Cho E = 2.104 kN/cm2, μ= 0,3 .Gọi mmu σσ = , ummmm mm mm u lll l εε ×=Δ⇒Δ= [ ]vuu E ησσε −= 1 200 535601560 2 030 2 030 cmkNu /,sin)(cos =−−−++=σ [ ] 310857511 −=−−== .,)( uuummu E σσησεε mmll mmu 0930501085751 3 ,., =×=Δ=Δ − m n 25 mm 15 mm τ σ H 4 5 GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 21 BÀI TẬP CHƯƠNG 4 4.1 Tìm giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên mặt cắt AB của phân tố như trên H.4.1 bằng phương pháp giải tích và đồ thị. Đơn vị ứng suất tính bằng kN/cm2. H. 4.1 A B 50 o 2 4 A B 30o 4 3 b) A B 60o 6 c) A B α 6 d) A B 60o 4 3 7 e) A B 30 o 6 3 5 f) a) b) c) 4.2 Trên hai mặt tạo với nhau một góc α = 60o và đi qua một điểm ở TTƯS phẳng có các ứng suất như trên H.4.2. Hãy tính các ứng suất chính tại điểm đó, ứng suất pháp σu và biến dạng tương đối εu theo phương u. Cho: E = 2.10 kN/cm2; μ= 0,3. 4.3 Trên mặt cắt m - n đi qua một điểm trong vật thể ở TTƯS phẳng có ứng suất toàn phần p = 3000 N/cm2, ứng suất này có phương tạo thành góc 60o với mặt cắt. Trên mặt vuông góc với mặt cắt đó chỉ có ứng suất tiếp (H.4.3). Tính ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên mặt cắt hợp với mặt cắt m - n một góc 45o. Tính ứng suất pháp lớn nhất tại điểm đó. 6 kN/cm2 5 kN/cm2 3 kN/cm2 σu 60o H.4.2 τ n m p60o 45o H. 4.3 GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 22 4.4 Tại một điểm trên bề mặt của vật thể, ứng suất tác dụng lên phân tố nghiêng một góc 30o với trục x có trị số và hướng như trên H.4.30. a) Xác định ứng suất chính và phương chính. b) Xác định ứng suất tiếp cực trị và ứng suất pháp trên bề mặt có ứng suất tiếp cực trị. Biểu diễn các ứng suất đó trên H.4.4. 4.5 Một tấm mỏng có kích thước như trên H.4.5 chịu tác dụng của ứng suất kéo σ = 30 kN/cm2 theo phương chiều dài của tấm và ứng suất tiếp τ = 15 kN/cm2. a) Xác định ứng suất pháp theo phương đường chéo mn và phương vuông góc với đường chéo b) Tính biến dạng dài tuyệt đối của đường chéo mn. Cho E = 2.104 kN/cm2, μ= 0,3. 4.6 Một tấm thép mỏng hình chữ nhật chịu ứng suất pháp phân bố đều σx và σy như trên H.4.6. Các tấm điện trở A và B được gắn lên tấm theo hai phương x và y cho các số đo như sau: εx = 4,8.10–4 và εy = 1,3.10–4. Tính σx và σy, biết E = 2.104 kN/cm2; μ= 0,3. 4.7 Tại một điểm trên mặt vật thể chịu lực, người ta gắn các tấm điện trở A, B, C để đo biến dạng tỷ đối theo các phương Om, On và Ou (H.4.7). Các số đo thu được: 444 10.625,1 ;10.81,2 ;10.81,2 −−− =ε−=ε−=ε unm Xác định ứng suất chính, phương chính tại điểm đó. Cho : E = 2.104 kN/cm2 ; μ= 0,3. α = 30o x y 3 kN/cm2 5 kN/cm2 H. 4.4 m n 25 mm 15 mm τ σ H 4 5 H. 4.6 H. 4.7 O 45 o B A x n m C B A u 45o GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 23 4.8 Tại điểm A của một dầm cầu có gắn hai tenxômét để đo biến dạng theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng (H.4.8). Khi xe chạy qua cầu, người ta đo được: εx = 0,0004; εy = –0,00012.Tính ứng suất pháp theo phương dọc và phương thẳng đứng của dầm. Cho biết E = 2.104 kN/cm2; μ= 0,3. 4.9 Có một phân tố hình hộp có các cạnh: a = 2cm; b = 4 cm; c = 2 cm, chịu tác dụng của các lực P1, P2 trên bốn mặt của phân tố (xem H.4.9). Cho : P1 = 60 kN; P2 = 120 kN; E = 2.104 kN/cm2; μ= 0,3. a) Xác định các biến dạng dài Δa, Δb, Δc của các cạnh a, b, c và biến đổi thể tích của phân tố hình hộp. b) Muốn biến đổi thể tích ΔV = 0 thì phải đặt thêm lực pháp tuyến P3 bằng bao nhiêu vào hai mặt còn lại? Tính τmax trong trường hợp này. 4.10 Một khối hình hộp làm bằng thép có kích thước cho trên H.4.10, được đặt giữa hai tấm cứng tuyệt đối, chịu lực nén P = 250 kN. Tính lực tác dụng tương hỗ giữa mặt tiếp xúc của hình hộp với các tấm cứng. Cho μ= 0,3. . H. 4.10 1 0 c m 5c m 5 cm y x a) b) P P H.4.8 x x y y A H.4.9 P1 P1 P2 P2 a c b GV: Lê Đức Thanh ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Chương 4: Trạng thái ứng suất 24 4.11 Một khối lập phương bằng bê tông đặt vừa khít rãnh của vật thể A chịu áp suất phân bố đều ở mặt trên P = 1 kN/cm2 (H.4.11). Xác định áp lực nén vào vách rãnh và độ biến dạng thể tích tuyệt đối. Cho cạnh a = 5 cm; E = 8.102 kN/cm2; μ= 0,36. . Vật thể A coi như cứng tuyệt đối. 4.12 Một tấm thép kích thước a × b × c đặt giữa hai tấm tuyệt đối cứng, hai tấm này được liên kết với nhau bằng bốn thanh như H.4.12. Khi tấm thép chịu áp lực p phân bố trên hai mặt bên thì ứng suất kéo của thanh là bao nhiêu? Tính ứng suất chính trong tấm thép. Cho Etấm = Ethanh và diện tích F của thanh. a p p y x b x H.4.12 c z
File đính kèm:
- giao_trinh_suc_ben_vat_lieu_chuong_4_trang_thai_ung_suat.pdf