Główny stres: 23 fakty, które powinieneś wiedzieć

Definicja głównego naprężenia:

Naprężenie główne to maksymalne i minimalne naprężenie wynikające z naprężenia normalnego pod kątem na płaszczyźnie, w której naprężenie ścinające wynosi zero.

Jak obliczyć naprężenie główne?

Podstawowe równanie naprężenia | Podstawowy wzór na stres:
Równania maksymalnego i minimalnego naprężenia głównego:

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}+\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}-\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

Wyznaczanie głównego stresu | Określ główne płaszczyzny i główne naprężenia

Naprężenia normalne:

\\sigma x'=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}+\\frac{(\\sigma x-\\sigma y)(cos2\\Theta )}{2}+\ \sigma xysin2\\Theta

\\sigma y'=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}-\\frac{(\\sigma x-\\sigma y)(sin2\\Theta )}{2}+\ \sigma xycos2\\Theta

-\\frac{(\\sigma x-\\sigma y)(cos2\\Theta )}{2}+\\sigma xysin2\\Theta

Rozróżniać,

\\frac{dx'}{d\\Theta }=0

tan2\\Theta =\\frac{\\sigma xy}{\\frac{(\\sigma x-\\sigma y)}{2}}

tan2\\Theta_{p} =\\frac{\\sigma xy}{\\frac{(\\sigma x-\\sigma y)}{2}}

„P” reprezentuje główną płaszczyznę.

Istnieją dwa główne stresy,
jeden pod kątem 2\\Theta
i inne o godz 2\\Theta+180
Maksymalne i minimalne naprężenia główne:

R=\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+\\tau xy^{2}}

cos2\\Theta =\\frac{\\left ( \\sigma x-\\sigma y \\right )}{2R}

sin2\\Theta =\\frac{\\sigma xy}{R}

podstawimy w równaniu 1:

\\sigma x'=\\frac{\\left ( \\sigma x+\\sigma y \\right )}{2}+\\frac{1}{R}[\\left ( \\frac{\ \sigma x-\\sigma y}{2} \\right )^{2}+\\sigma xy^{2}]

wartość zastępcza R.

Maksymalne i minimalne naprężenia normalne to główne naprężenia:

\\sigma max=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}+\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

\\sigma min=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}-\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

Stan stresu:

Głównym naprężeniem są osie współrzędnych odniesienia do reprezentacji macierzy naprężeń, a te składowe naprężenia są istotnością stanu naprężenia można przedstawić jako,

Tensor naprężeń:

\\tau ij=\\begin{bmatrix}\\sigma 1 i 0 i 0 \\\\0 & \\sigma 2 i 0 \\\\0 &0 &\\sigma 3\\end{bmatrix}

Główne naprężenia z tensora naprężenia i niezmienniki naprężenia | Główne niezmienniki naprężenia

Istnieją trzy główne płaszczyzny w każdym ciele poddanym działaniu naprężeń, z wektorami normalnymi n, zwanymi kierunkami głównymi, w których wektor naprężenia przebiega w tym samym kierunku co wektor normalny n bez naprężeń ścinających, a składowe te zależą od wyrównania układu współrzędnych.


Wektor naprężenia równoległy do ​​normalnego wektora jednostkowego n jest określony jako,

\\tau ^{\\left ( n \\right )}=\\lambda n=\\sigma _{n}n

Gdzie,
\\lambda reprezentuje stałą proporcjonalności.

Główne wektory naprężeń reprezentowane jako:

\\sigma ij nj=\\lambda ni

\\sigma ij nj-\\lambda nij=0

Wielkość trzech głównych naprężeń daje trzy równania liniowe.
Wyznacznik macierzy współczynników jest równy zero i reprezentowany jako,

\\begin{vmatrix}\\sigma ij-\\lambda \\delta ij\\end{vmatrix}=\\begin{bmatrix}\\sigma 11-\\lambda &\\sigma 12 &\\sigma 13 \ \\\\\sigma 21 & \\sigma 22-\\lambda &\\sigma 23 \\\\\\sigma 31 & \\sigma 32 & \\sigma 33-\\lambda\\end{bmatrix}

Naprężenia główne mają postać naprężeń normalnych, a wektor naprężeń w układzie współrzędnych jest reprezentowany w postaci macierzy w następujący sposób:

\\sigma ij=\\begin{bmatrix}\\sigma 1 i 0 i 0\\\\0 & \\sigma 2 i 0\\\\0 &0 &\\sigma 3\\end{bmatrix}

I1, I2, I3 są niezmiennikami naprężeń głównych,
Niezmienniki naprężeń zależą od naprężeń głównych i są obliczane w następujący sposób:

I1=\\sigma 1+\\sigma 2+\\sigma 3

I2=\\sigma 1\\sigma 2+\\sigma 2\\sigma 3+\\sigma 3\\sigma 1

I3=\\sigma 1.\\sigma 2.\\sigma 3

Podstawowe równanie naprężeń dla niezmienników naprężeń:

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}+\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}-\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

Główne trajektorie naprężeń | Główne kierunki stresu

Trajektorie naprężeń pokazują główne kierunki naprężeń i ich zmienną wielkość naprężeń głównych.

Naprężenie von mises a naprężenie główne

Von mises główne równanie naprężenia

Von Mises jest teoretyczną miarą kryterium zerwania plastyczności w materiałach ciągliwych.
Znak dodatni lub ujemny zależy od głównych naprężeń.
Główne naprężenia Warunki brzegowe:

\\sigma 12=\\sigma 23=\\sigma 31=0

Teorie zniszczenia podają naprężenia plastyczne elementów poddanych obciążeniom wieloosiowym. Ponadto, gdy porównuje się ją z granicą plastyczności elementów, pokazuje margines bezpieczeństwa elementu.

Maksymalne naprężenie główne jest brane pod uwagę w przypadku kruchych elementów, takich jak elementy odlewane (tj. Obudowa sprzęgła, skrzynia biegów itp.)
Teoria naprężeń von-misesa opiera się na: odkształcenie przy ścinaniu Teoria energii jest sugerowana dla materiałów ciągliwych, takich jak aluminium, elementy stalowe.

Dlaczego naprężenie von mises jest zalecane dla materiałów ciągliwych i naprężeń głównych dla materiałów kruchych?


Zniszczenie kruchych materiałów użytych do badania jednoosiowego przebiega wzdłuż płaszczyzny prostopadłej do osi obciążenia. Tak więc, ogólnie rzecz biorąc, niepowodzenie jest spowodowane normalnym stresem. Spośród wszystkich teorii niepowodzenia główna teoria naprężeń oparta jest na normalnym naprężeniu. Dlatego w przypadku materiałów kruchych zaleca się podstawową teorię naprężeń,

Materiały ciągliwe zawodzą pod kątem 45 stopni nachylonych w płaszczyźnie obciążenia. Zatem awaria jest spowodowana naprężeniem ścinającym. Spośród wszystkich teorii niszczenia energia ścinania lub teoria von Misesa i teoria maksymalnego naprężenia ścinającego opiera się na naprężeniu ścinającym. Dla porównania, von mises daje lepsze wyniki. Dlatego w przypadku materiałów ciągliwych zalecana jest teoria von Misesa.

Różne rodzaje stresu

Bezwzględny główny stres | Efektywny stres główny:

Główne naprężenia są oparte na maksymalnym i minimalnym naprężeniu. Zatem zakres naprężenia mieści się między maksymalnym a minimalnym naprężeniem (zakres naprężeń jest ograniczony i mniejszy) i może prowadzić do dłuższej trwałości zmęczeniowej. Dlatego ważne jest, aby znaleźć efektywne naprężenie główne, które daje maksymalną wartość z tych dwóch w danym okresie czasu.

Co to jest teoria maksymalnego stresu normalnego?

Oznacza to, że kruche zniszczenie występuje, gdy maksymalne naprężenie główne przekracza wytrzymałość na ściskanie lub rozciąganie materiału. Załóżmy, że w projekcie uwzględniono współczynnik bezpieczeństwa n. Wymagają tego bezpieczne warunki projektowe.

Równanie maksymalnego naprężenia głównego

-\\frac{Suc}{n<{\\sigma 1,\\sigma 2,\\sigma 3<\\frac{Sut}{n}

Gdzie σ1, σ2, σ3 to trzy główne naprężenia, maksymalne, minimalne i pośrednie, w trzech kierunkach, Sut i Suc to odpowiednio wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na ściskanie.

Aby uniknąć kruchego zniszczenia, główne naprężenia w dowolnym punkcie konstrukcji powinny mieścić się w kwadratowej obwiedni zniszczenia określonej w teorii maksymalnego naprężenia normalnego.


Teoria maksymalnego naprężenia głównego |Definicja maksymalnego naprężenia głównego

rozważ dwuwymiarowy stan naprężenia i odpowiadające mu naprężenia główne, takie jak σ1> σ2> σ3
Gdy σ3 = 0, σ2 może być ściskane lub rozciągane w zależności od warunków obciążenia, gdzie σ2 może być mniejsze lub większe niż σ3.

2 1

Zgodnie z teorią maksymalnego naprężenia, awaria wystąpi, kiedy
σ1 lub σ2 = σy lub σt
Warunki są przedstawione graficznie za pomocą współrzędnych σ1, σ2. Jeśli stan naprężenia o współrzędnych (σ1, σ2) wypadnie poza obszar prostokątny, zniszczenie wystąpi zgodnie z teorią maksymalnego naprężenia głównego.

Podkreśla główny krąg Mohra

Wyjaśnij kręgi Mohra dla trójwymiarowego stanu naprężenia:

  • Rozważmy płaszczyznę z punktem odniesienia, ponieważ P. Sigma jest reprezentowana jako normalne naprężenie i tau przez naprężenie ścinające na tej samej płaszczyźnie.
  • Wybierz inną płaszczyznę z punktem odniesienia Q reprezentującym sigma i tau odpowiednio jako naprężenie normalne i naprężenie ścinające. Przez punkt p przechodzą różne płaszczyzny, różne wartości naprężenia głównego i ścinającego.
  • Dla każdej płaszczyzny n można znaleźć punkt Q o współrzędnych takich jak naprężenie ścinające i naprężenie główne.
  • Wyznacz naprężenia normalne i ścinające dla punktu Q we wszystkich możliwych kierunkach n.
  • Uzyskaj trzy główne naprężenia jako maksymalne naprężenie główne, minimalne naprężenie główne i pośrednie naprężenie główne i przedstaw je w kolejności rosnącej wartości naprężeń.
  • Narysuj trzy okręgi ze średnicami jako różnicą między głównymi naprężeniami.
krąg Moha: akcent główny
Kredyt obrazu:SanpazaKoło Mohra, oznaczony jako domena publiczna, więcej informacji na ten temat Wikimedia Commons
  • Obszar zacieniowany to obszar płaszczyzny koła Mohra.
  • Kręgi reprezentują kręgi Mohra.
  • (σ1-σ3), a związane z nim naprężenie normalne wynosi (σ1 + σ3)
  • Istnieją trzy normalne naprężenia, podobnie jak trzy naprężenia ścinające.
  • Główne płaszczyzny ścinania to płaszczyzny, w których działają naprężenia ścinające, a główne normalne naprężenie działa w płaszczyźnie, w której naprężenie ścinające wynosi „0”, a naprężenie ścinające działa w płaszczyźnie, w której normalne naprężenie główne wynosi zero. Główne naprężenie ścinające działa pod kątem 45 ° w stosunku do normalnych płaszczyzn.


Naprężenia ścinające są oznaczone przez \\tau 1,\\tau 2,\\tau 3
A główne naprężenia są oznaczone przez \\sigma 1,\\sigma 2,\\sigma 3

Trzeci główny akcent

3rd główne Naprężenie jest odniesione do maksymalnego naprężenia ściskającego wynikającego z warunków obciążenia.

Przykłady naprężeń głównych 3D:

W przypadku trójwymiarowego wszystkie trzy płaszczyzny mają zerowe naprężenia ścinające i te płaszczyzny są wzajemnie prostopadłe, a normalne naprężenia mają maksymalne i minimalne wartości naprężeń i są to normalne naprężenia, które reprezentują główne maksymalne i minimalne naprężenie.

Te główne naprężenia są oznaczone przez,
σ1, σ2, σ3.
Przykład:
Naprężenie 3D w piaście - stalowy wałek jest wciskany na siłę w piaście.
Naprężenie 3D w elemencie maszyny.

Główne naprężenie dewiacyjne:

Główne naprężenia dewiatoryczne uzyskuje się przez odjęcie średniego naprężenia od każdego głównego naprężenia.

Pośredni główny stres:

Naprężenie główne, które nie jest ani maksymalne, ani minimalne, nazywa się naprężeniem pośrednim.

Główny kąt naprężenia | Orientacja głównego stresu: θP

Orientację naprężenia głównego oblicza się przez zrównanie naprężenia ścinającego do zera w kierunku xy w płaszczyźnie głównej obróconej o kąt theta. Rozwiąż θ, aby otrzymać θP, główny kąt naprężenia.

Ważne często zadawane pytania (FAQ):


Do jakiego materiału ma zastosowanie teoria maksymalnego naprężenia głównego?

Odpowiedź: Kruche materiały.

Jakie są 3 główne akcenty? | Co to jest maksymalne i minimalne naprężenie główne?

Maksymalne naprężenie główne | Główne naprężenie główne: największe rozciąganie (σ1)
Minimalne naprężenie główne | Mniejsze naprężenie główne: najbardziej ściskające (σ3)
Naprężenie główne pośrednie (σ2)

Naprężenie główne a stres normalny:

Naprężenie normalne to siła przyłożona do ciała na jednostkę powierzchni. Naprężenie główne to naprężenie przyłożone do ciała o zerowym naprężeniu ścinającym.

Naprężenie główne a naprężenie zginające:

Naprężenie zginające to Naprężenie, które występuje w ciele w wyniku przyłożenia dużej ilości obciążenia, które powoduje zginanie obiektu.

Naprężenie główne a naprężenie osiowe:

Naprężenie osiowe i główne są elementami naprężenia normalnego.

Jakie jest znaczenie głównego stresu?

Główne naprężenie przedstawia maksymalne i minimalne naprężenie normalne. Maksymalne naprężenie normalne pokazuje zdolność komponentu do wytrzymania maksymalnej siły.

Jakie są główne naprężenia w wale przy przyłożonym momencie obrotowym?

Naprężenie ścinające wywołane momentem obrotowym ma maksymalną wielkość na zewnętrznym włóknie. ten naprężenie zginające jest spowodowane obciążeniami poziomymi (poziomymi siłami przekładni, pasa lub łańcucha), które wywołują naprężenia zginające które są maksymalne na zewnętrznych włóknach.

Dlaczego naprężenie ścinające na płaszczyźnie głównej wynosi zero?

Normalne naprężenie jest maksymalne lub minimalne, a naprężenie ścinające wynosi zero.

tan2\\Theta _{\\tau-max}=-(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2\\tau xy})

\\tau max=\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+\\tau xy^{2}}

gdy naprężenie ścinające = 0,

\\tau max=\\frac{\\begin{vmatrix}\\sigma x-\\sigma y\\end{vmatrix}}{2}

Ważne główne problemy związane ze stresem:

1) Prostokątny wektor naprężeń o naprężeniach ścinających w kierunku XY 60 MPa i normalnych naprężeniach rozciągających 40 MPa. ?

Rozwiązanie:
Dany:\\sigma x=\\sigma y=40Mpa , \\tau=60Mpa
Główne naprężenia są obliczane jako:

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}+\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

σ1 = 100Mpa

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}-\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

σ2 = -20Mpa

2) Jakie są współrzędne środka koła Mohra dla elementu poddanego dwóm wzajemnie prostopadłym naprężeniom, jednemu naprężeniu o wartości 80 MPa i drugiemu o wartości 50 MPa?

σx = 80 MPa,
σy = -50 MPa
Współrzędne środka koła Mohra = [½ (σx + σy), 0]
= [(30/2), 0]
= (15,0)

3) Ciało zostało poddane dwóm wzajemnie prostopadłym naprężeniom odpowiednio -4MPa i 20MPa. Obliczyć naprężenie ścinające w płaszczyźnie ścinania.

σx + σy / 2 = -4 + 20/2 = 8Mpa
Promień = σ1-σ2 / 2 = 20 - (- 4) / 2 = 12
gdzie σx, σy to naprężenia główne
przy czystym naprężeniu ścinającym, σn = 0
naprężenie ścinające = korzeń kwadratowy12 ^ 2-8 ^ 2 = 8.94Mpa.

4) Zastosowanie stresu głównego | Znajdź główne naprężenia dla następujących przypadków.

i)σx=30 Mpa, σy=0, \\tau=15Mpa.

rozwiązanie:

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}+\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

σ1 = 36.21Mpa

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}-\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

σ2 = -6.21Mpa
ii)σx=0,σy=80MMpa, \\tau=60Mpa.

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}+\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

σ1 = 97Mpa

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}-\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

σ2 = 12.92Mpa


iii)\\tau=10Mpa, σx=50Mpa,σy=50Mpa.

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}+\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

σ1 = 60Mpa

\\sigma 1=\\frac{\\sigma x+\\sigma y}{2}-\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+ \\tau xy^{2}}

σ2 = 40Mpa

5) Maksymalne naprężenie główne wynosi 100 MPa, a minimalne naprężenie główne wynosi 50 MPa. Obliczyć maksymalne naprężenie ścinające i orientację płaszczyzny głównej za pomocą okręgu Mohra.

Dany:
Maksymalne naprężenie główne = 100 MPa (ściskające)
Minimalne naprężenie główne = 50 Mpa (ściskające)
Rozwiązanie:
Maksymalne naprężenie ścinające to promień koła Mohra, wtedy możemy napisać w następujący sposób.

R=\\sqrt{(\\frac{\\sigma x-\\sigma y}{2})^{2}+\\tau xy^{2}}

\\tau maks.=25Mpa

2θ = 90, od maksymalnego głównego kierunku naprężenia.
Tak więc orientacja w tym punkcie to θ = 45 od maksymalne naprężenie główne kierunek.

Więcej artykułów związanych z inżynierią mechaniczną kliknij tutaj

Zostaw komentarz