Bài giảng môn Sức bền vật liệu - Chương 3: Trạng thái ứng suất

Trong lĩnh vực cơ học vật liệu và phân tích kết cấu, việc nắm vững trạng thái ứng suất là yếu tố cốt lõi để đảm bảo an toàn và hiệu suất của các cấu kiện và công trình. Chương này tập trung vào khái niệm cơ bản về ứng suất, từ định nghĩa tại một điểm cho đến các phân loại trạng thái ứng suất khác nhau. Bằng cách nghiên cứu sâu về các thành phần ứng suất pháp và ứng suất tiếp, cùng với việc hiểu rõ về ứng suất chính và mặt chính, chúng ta có thể phân tích chính xác cách vật liệu phản ứng với tải trọng. Mục tiêu là cung cấp một nền tảng vững chắc để dự đoán hành vi của vật liệu và thiết kế các hệ thống cơ học một cách hiệu quả, đặc biệt nhấn mạnh vào trạng thái ứng suất phẳng và các phương pháp phân tích liên quan.

Sinh viên ngành kỹ thuật (như cơ khí, xây dựng, hàng không), kỹ sư thiết kế kết cấu và máy móc, và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học vật liệu và độ bền vật liệu.

Chương này đi sâu vào khái niệm trạng thái ứng suất trong cơ học vật liệu, bắt đầu với định nghĩa cơ bản về ứng suất tại một điểm. Tại một điểm bất kỳ trong vật thể, trạng thái ứng suất được mô tả bằng tập hợp các thành phần ứng suất trên vô số mặt cắt đi qua điểm đó, mà có thể biểu diễn qua ten-xơ ứng suất gồm chín thành phần. Các thành phần này bao gồm ứng suất pháp (tác dụng vuông góc với mặt) và ứng suất tiếp (tác dụng song song với mặt). Nghiên cứu làm rõ khái niệm về mặt chính – các mặt mà trên đó ứng suất tiếp bằng không, và ứng suất chính – các ứng suất pháp tác dụng trên các mặt chính này, là các giá trị cực đại hoặc cực tiểu của ứng suất pháp. Chương cũng phân loại trạng thái ứng suất thành đơn, phẳng và khối, với sự tập trung đặc biệt vào trạng thái ứng suất phẳng – một trường hợp quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khi chỉ có các thành phần ứng suất trong một mặt phẳng hoạt động. Để phân tích các trạng thái này, Vòng tròn Mohr ứng suất được giới thiệu như một công cụ đồ họa mạnh mẽ giúp xác định ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên các mặt nghiêng khác nhau. Bên cạnh đó, chương còn đề cập đến quan hệ ứng suất – biến dạng thông qua Định luật Hooke, liên kết trực tiếp giữa tải trọng và biến dạng vật liệu. Cuối cùng, các điều kiện bền và các thuyết bền được giới thiệu để đánh giá khả năng chịu tải của vật liệu dưới các trạng thái ứng suất phức tạp, cung cấp nền tảng thiết yếu cho việc thiết kế an toàn và tối ưu trong mọi công trình và máy móc. Những kiến thức này có giá trị ứng dụng cao trong việc dự đoán và ngăn ngừa hỏng hóc, đảm bảo độ tin cậy của các cấu trúc kỹ thuật.