- •Оглавление
- •1. Основы механики твердого тела 15
- •2. Основы механики деформируемого тела 23
- •5.1. Задачи науки 95
- •10. Список литературы 223 предисловие
- •Введение
- •Основы механики твердого тела;
- •Основы механики деформируемого тела;
- •1. Основы механики твердого тела
- •1.1. Статика
- •1.2. Кинематика
- •1.3. Элементы динамики
- •2. Основы механики деформируемого тела
- •2.1. Задачи науки
- •2.2. Общий подход
- •2.3. Перемещения и деформации
- •2.4. Напряжения
- •2.5. Модель деформируемого тела
- •2.6. Определение напряжений при растяжении
- •2.7. Механические свойства материалов
- •2.8. Сдвиг
- •2.9. Кручение круглых стержней
- •2.10. Изгиб прямого бруса
- •2.11. Сложное сопротивление
- •2.12. Прочность при циклически изменяющихся нагрузках
- •2.13. Колебания
- •2.14. Концентрация напряжений
- •2.15. Устойчивость равновесия упругодеформированных систем
- •2.16. Основы расчетов на прочность за пределами упругости
- •3. Металлоконструкции
- •4. Элементы механики механизмов и машин
- •4.1. Задачи механики машин
- •4.2. Основные определения
- •4.3. Кинематика шарнирно-рычажных механизмов
- •4.4. Силовой (кинетостатический) анализ механизмов
- •4.5. Механизмы для преобразования вращательного движения
- •5. Основы расчета на прочность типовых деталей машин
- •5.1. Задачи науки
- •5.2. Основные вопросы конструирования деталей
- •5.3. Передачи
- •5.4. Прямые круглые валы
- •5.5. Подшипники качения4
- •5.6. Соединения
- •6. Инженерное проектирование. Принятие инженерных решений
- •7. Более общие методы решения прочностных задач. Численные методы
- •7.1. Компоненты напряжений
- •7.2. Компоненты деформаций
- •7.3. Выражение деформаций через напряжения
- •7.4. Плоский случай (двухосное напряженное состояние)
- •7.5. Метод конечных элементов
- •7.6. Несколько слов об исчислении конечных разностей
- •8. Механика и экономика. Некоторые замечания.
- •9. Курсовое проектирование
- •9.1. Курсовое проектирование и его роль в подготовке инженера.
- •9.2. Указания по объему, содержанию, характеру проекта и порядку его выполнения.
- •9.3. Общие требования к выполненному проекту и его защите.
- •9.4. Содержание задания.
- •9.5. Примерный укороченный порядок выполнения курсового проекта (подробнее см. 9.2.1 - 9.2.30 и 9.3.1 – 9.3.10).
- •9.5.1. Последовательность работы.
- •9.6. Возможные варианты заданий.
- •9.7. Приложения. Нормативные материалы.
- •Механические характеристики сталей, применяемых в качестве материала для валов
- •Шарикоподшипники радиальные однорядные
- •Крышки глухие и сквозные
- •Шпонки призматические.
- •Втулки для подшипников качения
- •Нормальные диаметры валов (по госТу 6270)
- •9.8. Домашние задания.
- •10. Список литературы к главе 1
- •К главе 2
- •К главе 3
- •К главе 4
- •К главе 5
- •К главе 6
- •К главе 7
- •К главе 8
- •К главе 9
Введение
Курс является общеобразовательным. Его назначение состоит в том, чтобы расширить фундамент общей инженерной подготовки и тем оградить будущего специалиста от чрезмерной профессиональной узости представлений и технических идей. Каждый инженер, специализирующийся в какой либо узкой области, должен знать о возможностях, достоинствах и недостатках механической науки, которая занимает ведущее место в современной индустрии.
Изучение этого курса должно обеспечить взаимопонимание и взаимодействие инженеров - немашиностроителей с инженерами-машиностроителями, т.к. современные специалисты работают коллективно в объединяющих их организационных подразделениях.
Место и назначение этого учебного курса предполагает в нем приоритет задач анализа, имеющих большую познавательную ценность. Задачи синтеза рассматривается очень конспективно, а в большинстве случаев просто опускаются, т.к. проектирование механических устройств неспециалистами маловероятно.
Курс, каким бы кратким он ни был, должен соответствовать современному представлению науки. Это условие предъявляет особые требования к отбору материала, его расположению и изложению. Поэтому важно сохранить то, что является наиболее ценным с познавательной и воспитательной точек зрения, за счет сокращения описательного и справочного материала.
Назначение вузовского курса состоит в том, чтобы расширить кругозор в фундаментальных областях науки, научить творчески и аналитически мыслить и самостоятельно работать.
Поскольку инженерное образование имеет целью не только получение учащимися конкретных знаний в области узкой специализации их будущей деятельности, но и формирование инженерного мировоззрения, определенной широты взгляда, естественным является желание дать студентам немеханических специальностей некоторые представления о той области человеческой (инженерной) деятельности, которая прямо связана с построением современной технической цивилизации, которая сумела создать приемы и методы, достаточно хорошо описывающие многие явления в окружающем нас мире. Эта область связана с комплексом наук, объединенных общим названием «ТЕХНИЧЕСКАЯ» или «Прикладная механика». Она опирается на положения физики, известные учащимся из курсов средней школы, дополняя и развивая их в зависимости от стоящих перед разработчиками задач. Это достаточно стройная, красивая и более-менее строгая наука, требующая четкого и дисциплинированного мышления.
Почему механика? Это одна из фундаментальных наук, внесшая огромный вклад в современную техническую цивилизацию.
Надеемся, что знакомство с механикой поможет учащимся сформировать более полное представление о мире, в котором они живут, с новой стороны взглянуть на ту специальность, которой они хотят посвятить себя, а может быть что-то перенести в нее, если не в области конкретных результатов, то хотя бы в общих подходах, методологии. Познакомит с конкретными устройствами, с которыми встретится в своей практической деятельности инженер любой специальности, руководитель производства, менеджер.
Механика изучает взаимодействие тел. В основе механики лежат фундаментальные положения, на базе которых могут быть поняты и описаны самые разнообразные взаимодействия тел в природе и технике. Взаимодействие так называемых «твердых тел» (не меняющих своей формы под действием приложенных к ним сил) изучается МЕХАНИКОЙ ТВЕРДОГО ТЕЛА. Поведение тел, которые под воздействием сил меняют свою форму (деформируются) рассматривает МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТЕЛА (СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ). Сразу же оговоримся, что разделение тел на абсолютно твердые и деформируемые носит условный характер. В зависимости от решаемой задачи одно и то же тело (изделие, деталь, инженерная конструкция) может рассматриваться и как твердое и как деформируемое.
Взаимодействие твердых тел с жидкими описывается законами ГИДРАВЛИКИ, АЭРОДИНАМИКА изучает взаимодействие твердых и газообразных тел. Поведение тел, составляющих машину, рассматривает МЕХАНИКА МАШИН (теория машин и механизмов).
Отметим еще раз: в основе всех этих наук лежат общие законы механики.
Материал, представленный в этом курсе, посвящен ознакомлению с понятиями и методами, необходимыми для решения задач, связанных с проектированием надежных технических устройств и их эксплуатацией.
Излагаемый материал сам по себе не решает этих задач, как не решает задач электрических цепей постоянного тока простое написание законов Ома и Кирхгофа. Эти законы лишь показывают, что решение существует. Нахождение решения требует проведения определенных действий.
Решение проблемы надежного проектирования зависит от совместных усилий конструкторов, изготовителей, контролеров, экономистов и прочего персонала. Приводимые в курсе понятия и законы являются лишь руководством к действию.
Поскольку лица, участвующие в решении этой задачи, имеют разные специальности, то настоящий материал представлен в форме широких понятий и общих методов.
Проблема надежности относится к числу основных проблем, выдвигаемых на первый план современным развитием техники. Эта проблема возникает везде, где необходима высокая эффективность работы техниче-
ских систем, гарантированные сроки службы и безопасность. Проблемой надежности занимается очень широкий круг специалистов, среди которых имеются технологи, экономисты, конструкторы, физико-химики и др.
В принятой терминологии объект исследования надежности называется ИЗДЕЛИЕМ. Под эксплуатацией изделия понимают совокупность всех фаз его существования, в том числе и его транспортировку, хранение, подготовку к использованию по назначению, обслуживание и ремонт.
Совокупность свойств, определяющих степень пригодности изделия для использования по назначению, называют КАЧЕСТВОМ изделия. Имеется в виду при этом, что свойства изделия, составляющие его качество, могут меняться с течением времени.
Под НАДЕЖНОСТЬЮ понимается способность изделия сохранять качество при определенных условиях эксплуатации. Иногда говорят, что надежность - это качество, развернутое во времени.
Важными являются понятия ОТКАЗА и БЕЗОТКАЗНОСТИ. Отказ -частичная или полная утрата или видоизменение свойств изделия, существенно снижающее его работоспособность или приводящее к ее полной потере. Безотказностью называют способность изделия (подъемного механизма, автомобиля, стиральной машины, фотоаппарата, вычислительной машины и пр.) сохранять работоспособность, т.е. не иметь отказов в течение определенного времени в определенных условиях эксплуатации. Отказы разделяются на постепенные и внезапные.
Наряду с безотказностью в теории надежности рассматривается также ДОЛГОВЕЧНОСТЬ изделия, под которой понимают способность изделия к длительной эксплуатации при необходимом техническом обслуживании.
Надежность изделия определяется многими параметрами конструктивного, технологического, прочностного и эксплуатационного характера. Поэтому курс нужно начать с общих положений механики, лежащих в основе этих представлений: ее аксиоматики и законов, усвоив которые можно будет ориентироваться во всех ее технических приложениях.
Еще несколько слов о терминологии. Под инженерными сооружениями подразумеваются промышленные и общественные здания, мосты, телебашни, антенны, резервуары. Содержание понятия «МАШИНА» в последнее время очень расширилось. Сейчас под ним понимают всякое устройство, которое служит для осуществления какого-либо процесса. В недавнем прошлом подразумевалось, что этот процесс обязательно связан с механическим движением. Однако в наше время существуют машины и совсем иного рода, например, вычислительные машины, атомные реакторы, машины химического производства. В них совершаются электронные процессы, протекают химические реакции или происходит перенос теплоты, а механическое движение или отсутствует, или имеет второстепенное значение. Для такого рода устройств более подходит термин «аппараты».
Широко применяется термин «прибор», под которым обычно разумеют такую машину или аппарат, которая дополняет или заменяет человека в области интеллектуальной деятельности. Таковы измерительные приборы, управляющие устройства и т.п.
В машинах, аппаратах и приборах используются различные силы природы. В соответствии с этим различают электрические, тепловые, оптические, электронные устройства и т.д., если в них происходит преобразование вещества или энергии, то их называют ГЕНЕРАТОРАМИ.
Большую группу машин составляют устройства, преобразующие электрическую или тепловую энергию в механическое движение, - это машины-двигатели (например, электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания и пр.).
Другую, весьма большую группу образуют РАБОЧИЕ или ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ, а также ТРАНСПОРТИРУЮЩИЕ машины. Они используются для придания изделию необходимой формы или перемещения изделия. В таких машинах механическое движение вала двигателя преобразуется в требуемое движение рабочего органа. Все это механические машины или МЕХАНИЗМЫ. Блок схема такой машины выглядит так:
Двигатель |
|
Привод |
|
Рабочая машина |
|
|
В состав любой машины входит инженерное оборудование (корпус, рама машины, панель и т.д.) и в большинстве случаев механизм. Таковы, например, стиральная машина, станок, электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, вентилятор, часы, фотоаппарат и т.д. Корпус и механизм обычно называют механической частью машины (в отличие от электрической, оптической и др. частей).
Часто именно механическая часть определяет важнейшие технические характеристики машины, ее быстродействие, производительность, массу, габариты, стоимость. В целом ряде случаев характеристика немеханических процессов, происходящих в машине, непосредственно зависит от кинематических и динамических характеристик ее механизма.
Задача этого курса состоит и в том, чтобы дать общее представление о механической части машины и ознакомить с устройством и способом действия наиболее типовых механизмов и устройств.
Изучение механического движения тел (частей машины) составляет предмет КИНЕМАТИКИ. Изучение совокупности взаимодействий, вызывающих эти движения, является предметом ДИНАМИКИ.
Современные механизмы и приборы можно объединить в такие системы, которые способны выполнять работу без участия обслуживающего персонала. В этом случае их называют МАШИНАМИ-АВТОМАТАМИ и АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЛИНИЯМИ.
Перечисленное выше относится, прежде всего, к механике твердого тела. Однако материалы, из которых изготавливаются части машин и сооружений, обладают податливостью (упругостью), поэтому при нагруже-нии устройства силами его части деформируются. Эти деформации могут оказаться чрезмерными. Кроме того, могут возникнуть недопустимые вибрации. В частях машин внутренние напряжения, соответствующие деформациям, могут оказаться настолько большими, что приведут к разрушению. Поэтому вопросы прочности занимают весьма важное место в данном курсе.
Разумеется, машина должна не только хорошо выполнять свою функцию, ради которой она сделана. Она должна быть технологичной и дешевой в производстве и экономичной в эксплуатации, что зависит от ее конструкции. Этих вопросов мы тоже вскользь (в связи с ограниченностью объема курса) коснемся.
Таким образом, этот учебный курс включает в себя следующие разделы: