- •Модуль 1. Теоретическая механика.
- •Тема 1 статика.
- •Основные понятия и определения статики.
- •Связи и их реакции, геометрический и аналитический способ сложения сил.
- •Равновесие плоской системы сил. Условия равновесия плоской системы сил.
- •Теорема о трех моментах.
- •Равновесие пространственной системы сил.
- •Приведение системы сил к заданному центру.
- •Формулы для вычисления модуля и направляющих косинусов главного вектора и главного момента
- •Условия равновесия системы сил.
- •Условия равновесия пространственной системы параллельных сил.
- •Тема 2 кинематика.
- •Кинематика материальной точки.
- •Плоскопараллельное движение твердого тела.
- •Уравнения плоского движения твердого тела
- •Угловая скорость и угловое ускорение тела при плоском движении.
- •Тема 3 динамика.
- •Дифференциальное движение материальной точки.
- •Основные задачи динамики
- •Введение в динамику системы.
- •Общие теоремы динамики.
- •Количество движения точки
- •Элементарный и полный импульс силы.
- •Теорема об изменении количества движения точки.
- •Момент количества движения точки.
- •Теорема об изменении момента количества движения точки.
- •Приложение общих теорем к динамике твердого тела
- •Теорема об изменении количества движения системы.
- •Законы сохранения количества движения.
- •Модуль 2. Сопротивление материалов.
- •Тема 1 растяжение-сжатие, кручение, изгиб.
- •Графики (эпюры) внутренних усилий. Эпюры внутренних усилий при растяжении-сжатии
- •Эпюры внутренних усилий при кручении
- •Эпюры внутренних усилий при прямом изгибе.
- •Напряжения. Перемещения и деформации.
- •Условия прочности, жесткости
- •Тема 2 сложное напряженно-деформированное состояние.
- •Гипотезы прочности.
- •Устойчивость
- •Модуль 3. Теория механизмов и машин
- •Тема 1 основные определения: звено, кинематическая пара и цепь, механизм, машина.
- •Структурная классификация механизмов.
- •Структурный анализ механизмов
- •Тема 2. Кинематический анализ механизмов с низшими парами.
- •Кинематическая схема. Графический и аналитический методы кинематического анализа
- •Тема 3. Силы, действующие в механизмах.
- •Основные задачи анализа и синтеза механизмов
- •Модуль 4. Детали машин
- •Тема 1. Общие сведения об узлах и деталях машин.
- •Классификация механических передач.
- •Критерии работоспособности. Надежность.
- •Материалы и термообработка.
- •Назначение и структура механического привода. Энерго-кинематические зависимости
- •Тема 2. Цилиндрические и конические зубчатые передачи.
- •Геометрия.
- •Критерии работоспособности и расчета
- •Тема 3. Червячные передачи.
- •Геометрия. Критерии работоспособности и расчета
- •Тема 4. Ременные передачи.
- •Цепные передачи геометрия. Критерии работоспособности и расчета
- •Тема 5. Валы, оси.
- •Ориентировочный расчет. Расчет на статическую прочность и на сопротивление усталости.
- •Подшипники качения и скольжения.
- •Подбор подшипников качения по динамической грузоподъемности с учетом долговечности
- •Тема 6. Взаимозаменяемость и стандартизация
- •Шероховатость поверхности и ее характеристика
Условия прочности, жесткости
Прочность – это способность конструкции выдерживать заданную нагрузку, не разрушаясь. Жесткость – способность конструкции к деформированию в соответствие с заданным нормативным регламентом.
Основной особенностью реальных условий эксплуатации машин и конструкций является случайный характер взаимодействия с окружающей средой. Это проявляется в том, что мы не можем достоверно предвидеть все типы внешних нагрузок и их величины, которые могут встретиться в процессе эксплуатации. Кроме того, источником неопределенности могут быть случайные свойства материалов. Например, предельное напряжение , входящее в условие прочности, по своей природе является случайным. Его величина зависит от многих факторов: марки материала, технологии изготовления, размеров детали или конструкции, условий эксплуатации и др. Случайный характер механических свойств материалов наглядно проявляется при испытаниях, обнаруживающих значительный разброс экспериментальных данных. Источник неопределенности связан также с разбросом размеров при изготовлении конструкций: в принципе невозможно выдержать абсолютно точно геометрические параметры конструкции, при их изготовлении допускаются некоторые отклонения.
В случае одномерного напряженного состояния
|
(1) |
напряжение , зависящее от внешних нагрузок, при определенных условиях может принять довольно большое значение, а предельное значение может оказаться малым, так что это неравенство нарушится. Если стечение обстоятельств, приводящее к нарушению условия прочности, редкое событие, то приходим к вероятностной трактовке условия прочности с позиций теории надежности.Вероятностью называется числовая характеристика степени возможности наступления некоторого события в определенных многократно воспроизводимых условиях. Вероятность события А можно оценить на основе опытных данных. Если проводится достаточно большое число опытов N, в которых событие Л появилось NA раз, то можно считать, что вероятность появления этого события равна
P(A)=NА/N.
Вероятность как мера возможности наступления события удовлетворяет условиям , причем значение Р=0 соответствует невозможному событию, а значение Р=1 — достоверному событию.
Вероятность события, заключающегося в выполнении условия (4.1) Р() в теории надежности называется вероятностью безотказной работы. Вместо условия прочности (1) записывается условие
Р()=Р*, |
(2) |
где Р* —заданное достаточно высокое значение вероятности, которое называется нормативной вероятностью безотказной работы. В этом случае говорят, что условие прочности обеспечено с вероятностью Р*.
Условие прочности (1) записано через напряжения, которые вычисляются через внешние нагрузки, приложенные к конструкции. Пусть внешние нагрузки определены с точностью до одного параметра S, а напряжение связано с этим параметром зависимостью
.
Тогда условие прочности (1) можно записать через внешние нагрузки
S < R |
(3) |
Здесь через R обозначено предельное значение нагрузки, т.е. такое ее значение, которое приводит к предельному состоянию
.
Величина R, зависящая от свойств материала и условий нагружения, называется несущей способностью или сопротивлением.
При заданном значении S отношение
называется коэффициентом запаса. Он обозначает, что сколько раз нужно увеличить нагрузку, чтобы достичь предельного состояния. Вместо условия прочности (2) можно записать эквивалентное условие
n > 1 |
(4) |
Если нагрузка и свойства материала являются случайными, то условия прочности (3) и (4) теряют смысл, их нужно заменить вероятностными условиями типа (2):
P(S<R)=P*,
или
P(n > 1)=P*.
При этом коэффициент запаса п также будет случайным.
Практически расчет на прочность с учетом случайного характера внешних нагрузок и случайных свойств материала проводится следующим образом. Вводится некоторое характерное значение нагрузки [S]. Это значение, называемое допускаемым или нормативным значением, можно найти из условия
P(S<[S])=[PS], |
(5) |
где [PS] —; некоторое значение вероятности, называемое обеспеченностью. Аналогично вводится нормативное значение [R] несущей способности
P(R>{R]=[PR]. |
(6) |
Отношение
[n]=[R]/[S] |
(7) |
называется нормативным коэффициентом запаса. Этот коэффициент зависит от условий нагружения, от свойств материалов, условий работы конструкции, степени ее ответственности и ряда других факторов. Такой коэффициент назначается, исходя из многолетнего опыта эксплуатации конструкций, и для каждого типа конструкций задается нормативно-технической документацией.
В качестве нормативных значений [S] и [R] можно выбрать средние значения соответствующих случайных величин
где Sj и Rj экспериментально полученные значения случайных величин в серии из N опытов. Однако в действующих нормах, в частности, строительных, нормативные значения не совпадают со средними значениями, а сдвинуты в сторону более опасных значений, что связано со значительным разбросом опытных данных около средних значений. Для нагрузки принимается несколько большее значение, а для несущей способности — меньшее
где коэффициенты инаходятся из уравнений (5) и (6). Таким образом, нормативный коэффициент запаса (7) вычисляется через средние значения следующим образом:
С учетом случайного характера внешних нагрузок и сопротивлений условие прочности (3) заменяется следующим условием
SP < RP.
Здесь SР —; достаточно редко встречающееся в реальных условиях эксплуатации высокое значение нагрузки, RР —; также достаточно редко встречающееся низкое значение несущей способности. Эти значения называются расчетными. Они находятся из уравнений
|
(8) |
|
(9) |
В правой части уравнений содержатся нормативные значения вероятности безотказной работы, которые близки к единице (0,95; 0,99; 0,999;...).
Расчетные значения нагрузок и несущей способности можно выразить через средние значения этих величин следующим образом:
где коэффициенты kS >1 и kP < 1 находятся из решения уравнений (8) и (9). Расчетные значения связаны с соответствующими нормативными значениями соотношениями
SP = kп[S], RP = ko[R].
Коэффициент
называется коэффициентом однородности (меньше единицы). Другой коэффициент, учитывающий случайный характер несущей способности,
называется коэффициентом однородности (меньше единицы).
Это условие можно заменить равенством
SP=RP/m,
где коэффициент m >1 учитывает условия работы конструкции, степень ее ответственности. С учетом обозначения (7) для нормативного коэффициента запаса получим формулу, учитывающую случайные свойства нагрузки и несущей способности, а также степень ответственности конструкции [n] = mkп / kо.