TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ CÁC LÝ THUYẾT BỀN

Chia sẻ: Nguyen Tan Nghia | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

332
lượt xem 51
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đã biết trên các mặt cắt VCB qua khỏi 1 điểm K cho trước của vật thể chịu tải trọng nói chung ứng suất sẽ có giá trị khác nhau tuỳ theo phương của mặt cắt, chỉ có trong các trường hợp đặc biệt rất hiếm giá trị ứng suất như nhau trong tất cả các phương.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ CÁC LÝ THUYẾT BỀN

-1- BÀI GIẢNG SỐ: 05 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ LÝ THUYẾT BỀN MỤC ĐÍCH: Nắm được khái niệm TTƯS và lý thuyết bền làm cơ sở giải các bài toán cơ bản theo điều kiện bền YÊU CẦU: - Nắm được TTƯS phẳng, định luật đối ứng, phương chính, ứng suất chính. Sử dụng thành thạo vòng tròn Mor ứng suất. - Nắm được thuyết bền và phạm vi ứng dụng THỜI GIAN : 06 tiết. Lý thuyết : 04 tiết ; Bài tập : 02 tiết. VẬT CHẤT ĐẢM BẢO : - Phòng học và các thiết bị giảng dạy kèm theo. - Bài giảng, bảng biểu nếu có. - Tài liệu tham khảo : [1] Lê Hoàng Tuấn- Bùi Công Thành. Sức bền vật liệu T1, T2. NXB KH&KT-1998. [2] Bùi Trọng Lựu- Nguyễn Văn Vượng. Bài tập SBVL. NXB Giáo dục-1996. PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN : 1) Giờ lý thuyết : • Giảng viên: Chỉ dẩn tài liệu nghiên cứu và diễn đạt những điều cần chú ý. • Học viên: Chú ý nghe và ghi những điều cần thiết. 2) Giờ bài tập : • Giảng viên : Tổ chức kiểm tra 15 phút, gợi ý, giải đáp thắc mắc, ra bài tập. • Học viên : Làm bài kiểm tra và tự giải quyết bài tập.
-2- (Cặp tiết thứ nhất) I - Khái niệm trạng thái ứng suất tại một điểm Thời gian: 15 phút Phương pháp: thuyết trình . Đã biết trên các mặt cắt VCB qua khỏi 1 điểm K cho trước của vật thể chịu tải trọng nói chung ứng suất sẽ có giá trị khác nhau tuỳ theo phương của mặt cắt, chỉ có trong các trường hợp đặc biệt rất hiếm giá trị ứng suất như nhau trong tất cả các phương. Ta gọi “tập hợp tất cả những giá trị ứng suất pháp (σ ) và ứng suất tiếp (τ ) trên các mặt cắt cùng đi qua 1 điểm là trạng thái ứng suất tại điểm đó”. Khi nghiên cứu ứng suất tại 1 điểm K ta thường tưởng tách ra tại K 1 phân tố diện tích hình hộp VCB, các mặt của nó vuông góc với các trục toạ độ. Trong trường hợp tổng quát trên các mặt có 9 thành phần ứng suất : σ x , σ y , σ z , τ xy , τ xz , τ yx , τ yz , τ zx , τ zy . Theo định luật đối xứng : τ xy = τ yx , τ yz = τ zy , τ xz = τ zx Do đó chỉ còn có 6 thành phần độc lập (3 thành phần ứng suất pháp – 3 thành phần ứng suất tiếp). yστ Người ta đã chứng minh được rằng tập y yz hợp tất cả ứng suất trên các mặt của phân tố τ yx hình hộp đặc trưng hoàn toàn cho trạng thái ứng σx suất tại 1 điểm của vật thể chịu tải. Tập hợp các σx τ zx τ xz ứng suất này gọi là tenxơ ứng suất . τ xy x Có thể tìm được những phân tố mà trên các σz τ mặt chỉ có ứng suất pháp còn ứng suất tiếp bằng zy 0. Phân tố đó gọi là phân tố chính, các mặt của nó z σy gọi là mặt chính.ứng suất tác động lên mặt chính gọi là ứng suất chính, pháp tuyến của mặt chính Hình 5-1 gọi là phương chính. Tại 1 điểm bất kỳ của vật thể chịu tải ta luôn tìm được 3 mặt chính vuông góc nhau. Ta ký hiệu ứng suất chính là σ 1, σ 2 và σ 3 và thoả mãn: σ 1 >σ 2 > σ 3 và σ 3
-3- σ2 σ2 σ2 σ1 σ1 σ1 σ1 σ3 σ2 σ2 σ2 Hình 5-2 II – Trạng thái ứng suất phẳng. Thời gian : 50 phút Phương pháp : Thuyết trình. 1 - Phương pháp giải tích : Thời gian: 20 phút Phương pháp: Thuyết trình a) Ứng suất trên mặt cắt nghiêng bất kỳ // trục z y (xem trục z trùng vớu trục có ứng suất chính bằng 0). i u σu ds σu τ y α σxy α σα τ yx σ τ xy σx y τ uv τ yx y x τ uv x ds σx dy τ yx dy σ x dz v τ yx σ σx dxτ σ y x v τ x σ y dx xy xy Hình 5-4 z σy z σy Hình 5-3 Cắt phân tố bằng 1 mặt cắt nghiêng // với trục z có pháp tuyến tạo với trục x một góc α . α được xem là dương nếu quay trục x đến pháp tuyến ngoài theo chiều ngược kim đồng hồ.
-4- Xét cân bằng phân tố, thiết lập các phương trình hình chiếu lên trục u, v : ∑ Fu = σ u .ds.dz − σ x .dz.dy. cos α − σ y .dz.dx.sin α + τ xy .dy.dz.sin α + + τ yx .dx.dz. cos α = 0 (1) ∑ Fv = τ uv .ds.dz + τ yx .dx.dz.sin α − τ xy .dz.dy. cos α − σ x .ds.dy.sin α + + σ y .dz.dx. cos α = 0 (2) Thay τ yx = τ xy ; dx = ds. sin α ; dy = ds. cos α và lưu ý : 1 − cos 2α 1 + cos 2α sin 2 α = ; cos 2 = , ta xác định được ứng suất pháp 2 2 và ứng suất tiếp trên mặt cắt nghiêng bất kỳ // với trục z : σx + σy σx − σy σu = + cos 2α − τ xy sin 2α 2 2 σx − σy τ uv = sin 2α + τ xy cos 2α (3) 2 b) Ứng suất chính và phương chính : Gọi α o là góc hợp bởi trục x và phương chính. Giá trị α o phải thoã mãn 2τ xy τ uv = 0. ⇒ tg 2α o = − σx − σy 2τ xy Đặt tg β = − ⇒ tg 2α = tgβ σx − σy β π Hay 2α o = β + kπ ⇒ α o = +k 2 2 Vậy luôn tìm được 2 nghiệm αo khác nhau góc π /2. Như vậy ta luôn có 2 mặt chính vuông góc với nhau và // với trục z. Trên mỗi mặt chính có 1 ứng suất chính. Thay vào trên để tính ứng suất chính với chú ý : tg 2α o 1 sin 2α o = ± ; cos 2α o = ± 1 + tg 2 2α o 1 + tg 2 2α o σx + σy 1 ( ) 2 + 4τ2 σ max = ± σx − σy Được : (4) xy 2 2 min Ứng suất chính cũng là những ứng suất có giá trị cực trị . Thật vậy : 2τ xy dσ u = 0⇒ tg 2α = − dα σx − σy
-5- σ max + σ min = σ x + σ y Từ (4) ta có : Hay tổng ứng suất pháp theo 2 phương vuông góc nhau là 1 hằng số. c) Ứng suất tiếp cực trị : dτ uv = 0. Ứng suất tiếp cực trị đạt được trên các mặt thoả mãn dα σx − σy dτ uv =2 cos 2α − 2.τ xy sin 2α = 0 Từ (3) ta có : dα 2 σx − σy ⇒ tg 2α = (5) 2τ xy 1 So sánh với tg2α0 ta thấy : tg 2α = − = − cot g 2α o tg 2α o π α = αo ± k , trong đó α là góc nghiêng của mặt cắt có ứng suất cực 4 trị. α o là góc nghiêng của mặt chính. Thay (5) vào (3) ta có giá trị của ứng suất tiếp cực trị : ( σ x − σ y ) 2 + 4τ2 1 τ max = ± (6) xy 2 min 2 - Phương pháp đồ thị – Vòng tròn Mo ứng suất : Thời gian: 20 Phút Phương pháp: Thuyết trình a) Phương trình vòng tròn ứng suất – Vòng Mo ứng suất : Từ (3) ta có : 2 2 σ + σy   σ − σy    σu − x  = x cos 2α − τ xy sin 2α   2   2     (7) 2  σx − σy  τ2 = sin 2α + τ xy cos 2α    uv 2   Cộng 2 vế của chúng : 2 2 σ + σy   σ − σy    σu − x  + τ2 =  x  + τ2 (8)   uv  2 xy 2    2 σx + σy  σx − σy   + τ2 = R 2 =A ;  Đặt  2 xy 2   Ta có : ( σ u − A ) 2 + τ2 = R 2 (9) uv
-6- Nếu ta chọn trục tung là τ uv , trục hoành là σ u thì (9) là phương trình đường tròn có tâm nằm trên trục hoành (hoành độ A) và bán kính R. Như vậy tất cả các giá trị của σ u và τ uv của một trạng thái ứng suất tại 1 điểm biểu thị bằng toạ độ của điểm trên đường tròn (9). Đường tròn đó gọi là đường tròn ứng suất hay vòng tròn Mo ứng suất. b) Cách vẽ : Khi có 1 phân tố ở TTƯS mà ta đã biết σ x , σ y , τ xy thì cách dựng vòng tròn ứng suất như sau: τ P(σ y,τ xy D(σ x,τ xy) σy τx τx σ O F C σx σx E τy τx D’(σ y,τ yx) σy σx σ Hình 5-5 y - Lập hệ trục toạ độ với trục hoành σ , trục tung τ theo 1 tỷ lệ nhất định. - Lấy điểm E(σ x, 0); F (σ y, 0); D (σ x, τ xy); D’ (σ y, τ yx). - Nối D D’ cắt trục hoành tại C. Lấy C làm tâm vẽ đường tròn có bán kính CD ta có được vòng tròn ứng suất cần tìm. - Tất cả giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên các mặt // với trục Z của phân tố đều biểu thị bằng toạ độ những điểm trên vòng tròn (vòng tròn ứng suất).(Cho Học viên tự chứng minh). c) Sử dụng vòng tròn Mo để xác định ƯS trên mặt nghiêng bất kỳ có pháp tuyến tạo với phương x 1 góc α : II τ Max u τ σu σ min σ 2 τu α2 M σy I α D P τ yx σu α1 τ Max σ2 α 2α τu σx σx 2α 1 σ O B A G F C τx E σ1 σ2 I σ Max= σ 1 τ Min σ min σy σy J σu Hình 5-6 τ Min σx σ Max= σ 1
-7- - Cách tìm σ u và τ uv : + Vẽ vòng tròn ứng suất khi biết σ x , σ y , τ xy + Vẽ cực P ( σ y, τ xy) + Vẽ tia PM // pháp tuyến u của mặt cắt nghiêng + Toạ độ M ( σ u, τ uv) đã được xác định - Chứng minh : Ta có: σx + σy + R.Cos ( 2α1 + 2α ) = OG = OC + CG = 2 σx − σy = + RCos 2α1Cos 2α − RSin 2α1Sin 2α 2 σx − σy R.Cos 2α1 = CE = R.Sin 2α1 = τ xy Nhưng: ; va 2 σx + σy σx − σy OG = + ⋅ Cos 2α − τ xy ⋅ Sin 2α = σ u Nên: 2 2 Tương tự: GM = R.Sin ( 2α1 + 2α ) = R.Cos 2α1.Sin 2α + R.Sin 2α1.Cos 2α σx − σy = ⋅ Sin 2α + τ xy .Cos 2α = τ uv 2 - Xác định ứng suất chính và phương chính: Ta đã biết ứng suất chính là ứng suất trên mặt chính có τ = 0. Trên vòng tròn Mor ta thấy 2 điểm A và B có tung độ bằng 0. Vậy hoành độ của A và B là ứng suất chính và phương PA, PB là phương chính của ứng suất này. Ta xác định các phương chính với trục x là α 1 và α 2 như sau: τ xy − ED − ED DE - Tgα1 = = = = σ y − σ Max FO + OA BE FA τ xy FP FP - Tgα 2 = = = σ y − σ min BO + OF BF - Phương có ứng suất tiếp cực trị: Nhìn vào vòng tròn Mor ta thấy 2 điểm I và J là 2 điểm có τ lớn nhất và nhỏ nhất. Vậy tung độ của I là giá trị τ Max và J là giá trị τ Mịn. Từ P vẽ tia PI, PJ ta có các phương pháp tuyến của những mặt cắt có τ Max và τ Min. Những mặt này tạo với mặt chính 1 góc 450. - Chú ý: + Khi lấy các điểm của các ứng suất đã biết cũng như các giá trị ứng suất cần tìm ta phải lấy cả dấu theo hệ trục toạ độ của đồ thị.
-8- + Chiều dương của các góc là chiều từ phương ngang lấy ngược chiều kim đồng hồ. 3 - Hai trường hợp đặc biệt: Thời gian: 10 Phút Phương pháp: Thuyết trình a) Trạng thái ứng suất phẳng đặc biệt: Theo cách vẽ vòng tròn ứng suất ta thấy rằng luôn luôn có 2 điểm A và B tức là có σ Max và σ Min , hay nói cách khác phân tố trên luôn luôn là phân tố ở TTƯS phẳng (có 2 ứng suất chính) τ P τ B A O σ E C σ Max σ min σ min σ Max Hình 5-7 b) Trạng thái ứng suất trượt thuần tuý: Khi trên các mặt của phân tố hình chỉ có ứng suất tiếp người ta thường gọi là phân tố ở TTƯS trượt thuần tuý. Xây dựng vòng Mo của trạng thái trượt thuần tuý ta tìm được một số đặc điểm của trạng thái. σ1 = σ3 = τ xy - Phương chính tạo với phương mặt trượt thuần tuý góc 450 . - Ứng suất tiếp trên mặt trượt là ứng suất tiếp cực trị. - Ứng suất pháp trên 2 mặt cắt bất kỳ vuông góc nhau bằng nhau về trị số nhưng ngược về dấu. τ P τ τ A B OC σ Max σ Min Hình 5-8
-9- III – Khái niệm về trạng thái ứng suất khối Thời gian: 10 phút Phương pháp: Thuyết trình Trong các bài toán của SBVL trạng thái ứng suất khối rất ít gặp. Bởi vậy ở đây ta chỉ nghiên cứu những khái niệm cơ bản nhất của trạng thái ứng suất khối. Hình 5-9a biểu thị trạng thái ứng suất khối. Các mặt giới hạn của nó là các mặt chính. σ2 σ2 σ2 σ τ σ σ1 σ1 σ1 τ σ1 σ1 σ3 τ σ1 σ3 σ σ2 σ 2 a) d) c) σ2 b) Hình 5-9 Trước hết khảo sát mặt nghiêng // phương chính. Ví dụ những mặt // σ1 (Hình 5-9b). Như đã biết là ứng suất trên các mặt này không phụ thuộc vào σ1 và xác định bởi các giá trị σ 2 và σ3 . Nó được xác định bằng toạ độ của 1 điểm nằm trên vòng tròn Mor ứng suất số 1 đi qua 2 điểm có toạ độ σ 2 và σ3 . Tương tự ứng suất trên các mặt nghiêng // với σ 2 (Hình 5-9c), biểu thị bằng toạ độ của vòng tròn Mor ứng suất số 2 đi qua σ1 và σ3 .Ứng suất trên các mặt nghiêng // với σ3 (Hình 5-9d), biểu thị bằng toạ độ của vòng tròn Mor ứng suất số 3 đi qua σ1 và σ 2 .(Hình 5-10). D τ1 τ2 τ3 σ σ3 σ1 σ2 Hình 5-10 Có thể chứng minh được rằng ứng suất trên mặt nghiêng bất kỳ được biểu thị bằng toạ độ của điểm D α ( σ α , τα ) nằm trong miền giới hạn của 3 vòng Mor (phần gạch chéo). Bằng giải tích có thể xác định được σ α và τα theo công thức:
- 10 - σ α = σ1 cos 21+ σ 2 cos 2 2 + σ3 cos 2 3 α α α τα = σ1 cos 21+ σ 2 cos 2 2 + σ3 cos 2 3 − σ 2 α α α α α1; α 2 ; α 3 là các góc hợp bởi pháp tuyến của mặt nghiêng với phương của σ1 , σ 2 , σ3 tương ứng. Dể dàng nhận thấy ứng suất tiếp cực trị (max) là tung độ σ − σ2 của điểm D nằm trên vòng tròn Mor số 2 có giá trị: τ max = 1 . 2 CÂU HỎI NGHIÊN CỨU Thời gian: 05 phút Phương pháp: Gợi ý, tóm tắt. 1 - Khái niệm về TTƯS tại 1 điểm 2 - Xác định TTƯS phẳng bằng Phương pháp giải tích 3 - Xác định TTƯS phẳng bằng Phương pháp đồ thị. Nêu 2 trường hợp đặc biệt 4 - Khái niệm về TTƯS khối
- 11 - (Cặp tiết thứ 2) • Kiểm tra bài cũ: 05 phút • Phương pháp: Kiểm tra miệng IV – Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng Thời gian : 25 phút Phương pháp : thuyết trình. 1 - Định luật Húc tổng quát: Khi nghiên cứu ứng suất và biến dạng trong kéo nén đúng tâm ta đã đưa ra được quan hệ giữa ứng suất và biến dạng : σ = E.ε => ε = σ / E theo phương σ . σ Và biến dạng ngang tỷ đối (theo phương ⊥ σ ): ε' = −µ. E Ở đây chúng ta sẽ thiết lập quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong trường hợp tổng quát nhất ở trạng thái ứng suất khối. Với giả thiết ứng suất tuân theo định luật Húc và biến dạng bé. Ta tưởng tượng tách từ vật thể biến dạng1 phân tố hình hộp, trên các mặt có 9 thành phần ứng suất. Như chúng ta đã thừa nhận ứng suất pháp chỉ gây biến dạng dài còn biến dạng góc chỉ bị gây ra do ứng suất tiếp. Dùng nguyên lý độc lập tác dụng ta tính biến dạng dài tỷ đối theo phương x: ε x = ε xx + ε xy + ε xz ε xx : biến dạng dài tỷ đối theo phương x do σ x gây ra. ε xy : biến dạng dài tỷ đối theo phương x do σ y gây ra. ε xz : biến dạng dài tỷ đối theo phương x do σ z gây ra. Theo trên ta có : σ ε xx = x E σy [ )] ( 1 ε xy = −µ ⇒ ε x = σx − µ σ y + σz E E σ ε xz = −µ z E Tương tự ta nhận được những biến dạng dài tỷ đối theo phương y và z :
- 12 - [ ] 1 σ y − µ( σ x + σ z ) εy = E [ )] ( 1 εz = σz − µ σx + σ y E Nếu phân tố được tách ra mà các mặt giới hạn là các mặt chính : 1 ε1 = [ σ1 − µ( σ 2 + σ 3 ) ] E 1 ε 2 = [ σ 2 − µ( σ 3 + σ1 ) ] E 1 ε 3 = [ σ 3 − µ( σ1 + σ 2 ) ] E 2 - Định luật Húc về trượt : Xét 1 phân tố ở trạng thái trượt thuần tuý và phân tố này ở trong giới hạn đàn hồi τ Liên hệ giữa biến dạng góc và ứng suất tiếp: τ = G.γ (Định luật Húc về trượt). Trong đó : G là môđun trượt. γ : góc trượt tuyệt đối. τ τ Quan hệ giữa môđun đàn hồi khi trượt và E môđun đàn hồi khi kéo nén: G = 2( 1 + µ ) τ Trong đó: - E là Môđuyn đàn hồi của vật liệu Hình 5-11 - µ là hệ số Poat xông 3 - Quan hệ giữa biến dạng thể tích và ứng suất : σ2 Chúng ta sẽ thiết lập quan hệ giữa sự thay đổi thể tích tương đối ε v và các thành phần tương ứng. σ1 Khi biến dạng nói chung thể tích của phân tố thay đổi, dl2 sự biến đổi đó chủ yếu do biến dạng dài gây ra. Biến σ3 dl3 dạng góc cũng làm thay đổi thể tích song không đáng dl1 kể có thể bỏ qua. Xét 1 phân tố chính ở trạng thái ứng suất khối. Hình 5-12 Thể tích phân tố trước biến dạng: Vo = dl1 + dl 2 + dl 3 Và trong trạng thái biến dạng : V1 = ( dl1 + ∆dl1 ) ( dl 2 + ∆dl 2 ) ( dl 3 + ∆dl 3 )  ∆dl1  ∆dl 2  ∆dl 3  = dl1.dl 2.dl 3 1 +  1 +  1 +     dl 3  dl1  dl 2    = V0 ( 1 + ε1 ) ( 1 + ε 2 ) ( 1 + ε 3 )
- 13 - Bỏ qua các đại lượng VCB bậc cao, ta có: V1 = V0 ( 1 + ε1 + ε 2 + ε 3 ) V − V0 εv = 1 = ε1 + ε 2 + ε 3 ⇒ biến dạng thể tích tương đối: V0 Vậy biến dạng thể tích tương đối bằng tổng biến dạng dài tỷ đối theo 3 phương vuông góc nhau. Thay các giá trị biến dạng của định luật Húc tổng quát vào ta được: 1 − 2µ ( σ1 + σ 2 + σ3 ) εv = E σ + σ2 + σ3 σ tb = 1 Đặt : : giá trị ứng suất trung bình. 3 3( 1 − 2µ ) σ .σ tb = tb ; ⇒ εv = E K E (K = : được gọi là môđuyn biến dạng thể tích.) 3( 1 − 2µ ) Vậy khi µ = 0,5 thì ε v = 0 ⇒ biến dạng thể tích không thay đổi. Những vật liệu như vậy gọi là vật liệu không nén được. V – Thế năng biến dạng đàn hồi Thời gian: 20 phút Phương pháp: thuyết trình Năng lượng mà vật thể tích luỹ đựoc trong quá trình biến dạng để đưa vật thể về vị trí ban đầu ở dưới dạng thế năng gọi là thế năng biến dạng đàn hồi (kí hiệu U), trị số thế năng tích luỹ trong 1 đơn vị thể tích được gọi là thế năng riêng biến dạng đàn hồi và kí hiệu u. Trị số của thế năng biến dạng đàn hồi có thể dễ dàng xác định qua định luật bảo toàn năng lượng : nếu bỏ qua sự mất mát năng lượng vì nhiệt và những yếu tố khác thì thé năng biến dạng đàn hồi tích luỹ trong vật thể bằng tổng công ngoại lực lên hệ : A = U. Tưởng tượng tách từ vật thể đàn hồi một phân tố giới hạn bởi các mặt chính. Thế năng biến dạng đàn hồi tích luỹ trong phân tố : dU = dA σ .dl .dl .∆dl1 σ 2.dl1.dl 3.∆dl 2 σ 3.dl1.dl 2.∆dl 3 dA = 1 2 3 + + 2 2 2 ∆dl1; ∆dl1; ∆dl1 : biến dạng dài tuyệt đối của các phân tố đựoc tính bằng các biểu thức : ∆dl1 = ε1.dl1 ; ∆dl 2 = ε 2.dl 2 ; ∆dl 3 = ε 3.dl 3 dl .dl .dl Thay vào trên ta được : dA = dA 1 2 3 ( σ1ε1 + σ 2ε 2 + σ 3ε 3 ) 2
14 1 ( σ1ε1 + σ 2ε 2 + σ3ε 3 ) ⇒ Thế năng biến dạng đàn hồi : u = 2 Thay các giá trị của các đại lượng ε 1 ; ε 2 ; ε 3 bằng các biểu thức của đ/l [ ] 12 σ1 + σ 2 + σ 3 − 2µ( σ1σ 2 + σ 2σ 3 + σ 3σ1 ) 2 Húc tổng quát : u = 2 2E Khi biến dạng , phân tố nói chung thay đổi cả hình dáng và thể tích, phù hợp với điều đó thế năng riêng có thể xem là tổng của 2 thành phần : u = u tt + u hd utt : thế năng biến đổi thể tích. uhd : thế năng biến đổi hình dáng. Các thành phần đó được tính theo công thức : 1 − 2µ ( σ1 + σ 2 + σ3 ) 2 u tt = 6E [ ] 1+ µ 2 σ1 + σ 2 + σ 3 − σ1σ 2 + σ 2σ 3 + σ 3σ1 2 u hd = 2 3E [ ] 1+ µ ( σ1 − σ 2 ) 2 + ( σ 2 − σ3 ) 2 + ( σ3 − σ1 ) 2 = 6E VI – Lý thuyết bền Phương pháp : thuyết trình. Thời gian : 25 Phút 1 - Khái niệm lý thuyết bền : - Khi kiểm tra độ bền thanh chịu kéo, nén đúng tâm ( trạngthái ứng suất đơn chỉ có σ z ), ta có các điều kiện sau : σ max = σ1 ≤ [ σ] k ; σ min = σ 3 ≤ [ σ] n Trong đó : + σ max , σ min tính được như chương 2. + Các ứng suất cho phép có được từ những thí nghiệm và tính bằng ứng suất nguy hiểm chia cho hệ số an toàn n. Những thí nghiệm kéo nén đúng tâm như vậy rất đơn giản và thực hiện được. - Nếu muốn kiểm tra bền một điểm ở trạng thái ứng suất phức tạp (phẳng, khối) có cả σ 1 , σ 2 , σ 3 ta cũng phải có những kết quả thí nghiệm phá hoại mẫu thử ở trạngthái ứng suất tương tự. Những thí nghiệm như thế khó thực hiện vì : + Số thí nghiệm phải nhiều mới đáp ứng được tỷ lệ giữa các ứng suất chính + Trình độ kỹ thuật chưa cho phép (thí nghiệm như kéo theo 3 phương). Vì những nguyên nhân trên, nên khi kiểm tra ở những điểm có TTƯS phức tạp người ta không thể dựa vào kết quả thí nghiệm trực tiếp mà phải đặt ta các
- 15 - giả thuyết về nguyên nhân phá hoại của vật liệu và dùng để đánh giá độ bền của mọi TTƯS trong khi chỉ biết độ bền của vật liệu ở TTƯS đơn (thí nghiệm kéo, nén). 2 - Các thuyết bền cơ bản : a - Thuyết bền ứng suất pháp cực đại (TB 1): “Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do ứng suất pháp cực đại của phân tố ở TTƯS phức tạp đạt đến ứng suất nguy hiểm của phân tố ở TTƯS đơn.” Gọi σ ok , σ on : là ứng suất nguy hiểm khi kéo, nén ( TTƯS đơn ). n : là hệ số an toàn σ Ta có công thức kiểm tra bền : σ t1 = σ1 ≤ ok = [ σ] k n σ σ t1 = σ 3 ≤ on = [ σ] n n Nhược điểm của thuyết bền 1: Không kẻ đến ảnh hưởng của 2 ứng suất chính còn lại. Mặc dù 2 ứng suất đó có ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu. TB1 chỉ có ý nghĩa lịch sử và chỉ áp dụng cho phân tố ở TTƯS đơn. b - Thuyết bền biến dạng dài tương đối cực đại ( TB 2 ): “Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do biến dạng dài tương đối cực đại của phân tố ở TTƯS phức tạp đạt đến biến dạng dài tương đối ở trạngthái nguy hiểm của phân tố ở TTƯS đơn.” σ Ta có công thức kiểm tra bền : σ t 2 = σ1 − µ( σ 2 + σ 3 ) ≤ ok = [ σ] k n σ Khi biến dạng co ngắn : σ t 2 = σ 3 − µ( σ1 − σ 2 ) ≤ on = [ σ] n n Ưu điểm: Có xét đến 3 ứng suất chính. Nhược điểm: Qua thí nghiệm thấy chỉ phù hợp với vật liệu dòn, không thích hợp với vật liệu dẻo. Ngày nay ít dùng. c - Thuyết bền ứng suất tiếp cực đại ( TB 3 ): “Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do ứng suất tiếp cực đại của phân tố ở TTƯS phức tạp đạt đến ứng suất tiếp nguy hiểm của phân tố ở TTƯS đơn.” Gọi: τ max là ứng suất tiếp cực đại ở TTƯS phức tạp (khối). τ o ứng suất tiếp nguy hiểm khi kéo theo 1 phương (TTƯS đơn). n là hệ số an toàn . σ σ t 3 = σ1 − σ 3 ≤ ok = [ σ] k Ta có công thức : n Các kết quả đặc biệt :
16 σ12 σ + 4τ 2 - Trạng thái ứng suất phẳng đặc biệt : σ max = ± 22 min σ t 3 = σ 2 + 4τ 2 ≤ [ σ] k - Trạng thái ứng suất trượt thuần tuý : σ max = τ , σ min = −τ σ t 3 = 2τ ≤ [ σ] k Ta có : [σ ] τ≤ k Hay : 2 + Ưu điểm: Qua thực nghiệm thấy phù hợp với vật liệu dẻo + Nhược điểm: Không kể đến σ 2. Đối với vật liệu dòn kết quả kém chính xác d) Thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng cực đại (TB 4): “Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do thế năng biến đổi hình dáng của phân tố ở TTƯS phức tạp đạt đến thế năng biến đổi hình dáng của phân tố ở TTƯS đơn.” Ta có công thức : σ t 4 = σ1 + σ 2 + σ 3 − σ1σ 2 + σ 2σ 3 + σ 3σ1 ≤ [ σ] k 2 2 2 Các kết quả đặc biệt : σ12 σ + 4τ2 σ max = ± Trạngthái ứng suất phẳng đặc biệt : 22 min ⇒ σ t 4 = σ 2 + 3τ 2 ≤ [ σ] k σ max = τ ; σ min = −τ Trạng thái trượt thuần tuý : ⇒ σ t 4 = 3τ 2 ≤ [ σ] k [ σ] hay : τ ≤ k 3 + Ưu điểm: Có tính đến σ 2. Phù hợp với vật liệu dẻo. Hiện nay áp dụng nhiều trong tính toán xây dựng và cơ khí. + Nhược điểm: Không phù hợp với vật liệu dòn. Không giải thích được trường hợp kéo theo 3 phương với cùng giá trị ứng suất τ Vòng tròn chính A τ e - Thuyết bền về các TTƯS giới hạn ( TB Mo hay TB 5 ): Kéo đơn Như ở phần III ta đã biết với TTƯS khối ta có thể biểu diễn 3 vòng tròn ứng suất trên 1 hệ trục toạ độ σ - τ . Nhận thấy σ 2 ảnh hưởng rất ít đến độ bền σ của phân tố. Do đó trong 3 vòng tròn giới hạn của 1 TTƯS người ta chỉ xét đến vòng tròn được xác định bởi σ 1 và σ 3 và gọi là vòng tròn chính (Hình 5-13 a). Ta σ B Nén đơn σ1 σể vẽ được2 những vòng tròn chính giới hạn của những TTƯS khác nhau σ có th 3 (hình vẽ 5-13 b) sau: C Trượt thuấn tuý (a) (b) Hình 5-9
- 17 - Vòng tròn chính biến đổi gần như 1 quy luật sao cho các vòng tròn đó tạo 1 đường bao chung ABC gọi là đường bao giới hạn hoặc đường nội tại. Đường nội tại này chỉ ra: tất cả các TTƯS nào biểu thị bằng 1 vòng tròn chính nằm hoàn toàn trong đường bao là ở trạng thái không nguy hiểm. Còn những TTƯS nào biểu thị bằng những đường tròn chính tiếp xúc với đường cong nội tại thì đạt TTƯS nguy hiểm. σ ok σ 3 ≤ [ σ] k Ta có công thức : σ t 5 = σ1 − σ on Trong đó : - σ1 , σ 3 là ứng suất chính của phân tố ở TTƯS phức tạp. - σ ok , σ on là các giới hạn nguy hiểm của phân tố ở TTƯS đơn. Ưu điểm: Thuyết bền này áp dụng cho vật liệu dòn(hay vật liệu có giới hạn bền kéo và nén khác nhau) và cả vật liệu dẻo. Thuyết bền này không cần đề ra những giả thuyết mà căn cứ trực tiếp vào các TTƯS khối biểu thị bằng những vòng tròn chính đẻ xét độ bền của vật liệu. Nhược điểm: - Không kể đến ảnh hưởng của σ 2 và đơn giản hoá đường cong giới hạn bằng đường thẳng - Công thức tính σ t Mo chỉ cho kết quả chính xác khi vòng tròn giới hạn của TTƯS đang xét nằm trong khoảng 2 vòng tròn giới hạn kéo và nén. 3 - Việc áp dụng các thuyết bền : - Đối với vật liệu dẻo, nên dùng TB 3 và TB 4. - Đối với vật liệu dòn nên dùng TB 5( Mor) - Trường hợp TTƯS đơn thì dùng TB 1. VI- CÂU HỎI NGHIÊN CỨU Thời gian: 10 phút Phương pháp: Tóm tắt, hướng dẫn, ra bài tập. 1. Định nghĩa TTƯS tại 1 điểm? PP nghiên cứu và phân loại TTƯS.
18 2. TTƯS phẳng; nghiên cứu bằng PP giải tích và PP đồ thị. Xcá định phương chính, mặt chính và ứng suất chính. Tìm ứng suất cực trị? 3. Thành thạo cách dựng vòng tròn Mor ứng suất. 4. Khái niệm TTƯS khối. Định luật Húc tổng quát; định luật Húc về trượt; quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. 5. Thế năng biến dạng đàn hồi trong TTƯS khối. Xác định utt và uhd. 6. Lý thuyết bền- Phạm vi áp dụng. RÚT KINH NGHIỆM