background image

Ćwiczenie 4: Energia sprężysta i hipotezy wytężeniowe, 

wersja dla studentów

                        (opracowali: Z. Waszczyszyn i M. Kłos)

Wzory dla energii sprężystej

 Energia sprężysta U, złożona z energii odkształcenia objętościowego 

V

 i postaciowego 

f

U

)

V

(

)

V

(

f

V

f

V

,

dV

dV

U

U

U

            (1)

gdzie energia właściwa wynosi: 

,

2

1

6

E

E

6

2

1

2

y

x

2

z

y

x

V

z

           (2a)

2
zx

2
yz

2
xy

x

z

z

y

y

x

2

z

2

y

2

x

f

3

E

3

1

    

.

4

3

1

3

E

2
zx

2
yz

2
xy

x

z

z

y

y

x

2

z

2

y

2

x





          (2b)

Przykład 1 

(Krzyś i Życzkowski) [5], str. 94

Jak zmienia się stosunek energii: 

U

/

U

f

 i 

U

/

U

v

 dla pręta pryzmatycznego rozciąganego siłą P

w zależności od wartości współczynnika Poissona   .

Stan naprężenia jednoosiowego 

A

/

P

x

 generuje:

v

f

,

,

v

f

 .

Energia sprężysta pręta ze względu na stan naprężenia jednorodnego:

V

E

2

V

V

dV

dV

U

U

U

2

)

v

(

v

f

v

)

v

(

f

v

f

,

a więc stąd wynika:

V

V

U

v

f

.

Stosunek energii:

,

1

3

2

E

2

E

3

1

U

U

C

f

f

f

  

.

2

1

3

1

E

2

E

6

2

1

C

v

v

(3)

Na rys.1 podano zależności 

 

f

C

 i 

 

v

C

background image

0                                                                 0 . 5

1 . 0

C

f

C

f

C

C

2
3

1
3

Rys.1. Współczynniki 

f

C i 

v

C  jako funkcje współczynnika Poissona  

dla pręta swobodnie rozciąganego.

Widać, że dla 

5

.

0

 będzie 

0

C

v

 , gdyż materiał jest nieściśliwy i w pręcie pojawi się tylko

energia odkształcenia postaciowego.

Przykład 2  (Krzyś i Życzkowski [5], str. 96

Pręt pryzmatyczny ściskany siłą P umieszczony w dopasowanej tuleji, idealnie gładkiej (nie
występują siły tarcia między prętami i tuleją). Zbadać jak się zmieniają współczynniki  

 

f

C

oraz 

 

v

C

W pręcie występuje jednoosiowy stan odkształcenia

0

,

0

,

0

zx

yz

xy

z

y

x

 ,

              

(4)

oraz przestrzenny stan naprężeń, rys.2a

z

y

x

,

y

  ,

(5)

a, więc:

z

y

(6)

Zamiast   prowadzić   obliczenia   w   naprężeniach   możemy   obliczenia   wykonać   znacznie   prościej
korzystając ze wzorów (2) wyrażonych przez odkształcenia:

v

f



,

2

1

1

1

2

E

2

1

1

1

2

6

E

2
x

2
x

 (7)

stąd wynikają współczynniki:

.

1

1

3

1

C

,

1

2

1

3

2

C

v

f

 (8)

background image

Na rys. 2b pokazano zależności 

 

f

C

 oraz 

 

v

C

. W przeciwieństwie do pręta swobodnego, pręt

skrępowany tuleją dla  

5

.

0

  ma   C

v  

= 1.0 , gdyż nie może się odkształcić czysto postaciowo i

zachowuje się jak idealnie sztywny.

 

x

 

x

x

x

x

y

y

Rys. 2a

0                                                                 0 . 5

1 . 0

0 . 6 6 7

0 . 3 3 3

C

f

C

f

C

C

Rys. 2b

Rys.2:a) ściskanie pręta w dopasowanej tuleji, b) współczynniki 

 

f

C

 oraz 

 

v

C

.

Przykład 3 (Krzyś i Życzkowski [  ], s. 99)

Obliczyć   wartość   energii   odkształcenia   postaciowego   i   objętościowego   dla   podanej   belki,
przyjmując wzory z wytrzymałości materiałów i niżej podane dane.
b = 1 cm, h = 2 cm, l = 20 cm, P = 10KN, E = 210 GPa,   = 0.3 .

x

b

y

z

h

P

l

y

Rys. 3

background image

Wzory z wytrzymałości materiałów

x

,  

xy

 .

Z wzorów (2) na energię właściwą

2

6

2

1

x

v

E

2

2

3

3

1

xy

x

f

E

(9)

Podstawiamy (9) do wzoru (2):

3

l

I

P

E

6

2

1

dx

dy

y

x

b

I

P

E

6

2

1

dx

dy

dz

y

x

I

P

E

6

2

1

dz

y

x

dy

dx

I

P

E

6

2

1

dV

y

x

I

P

E

6

2

1

U

3

z

2

2

/

h

2

/

h

2

l

0

2

2
z

2

2

/

b

2

/

b

2

/

h

2

/

h

2

l

0

2

2
z

2

2

/

b

2

/

b

2

2

2

/

h

2

/

h

l

0

2
z

2

)

v

(

2

2

2
z

2

v

       (10)

3

3

2

2

1

3

2

bh

l

P

E

U

v

  

kNm

833

.

0

l

h

10

9

1

bh

l

P

E

1

3

4

dV

y

4

h

4

3

dV

y

x

I

P

E

3

1

U

2

3

3

2

)

V

(

2

2

2

)

V

(

2

2

2
z

2

f







Całkowita energia i współczynniki 

V

C  i 

f

C

U = 0.960 kNm ,

C

V

 = 0.132,   C

f

 = 0.868 .

Wzory dla hipotez wytężeniowych

1). Hipotezy naprężeniowe:

G:    Galileusza     

r

1

k

,

          (11)

TG: Tresci - Guesta

r

3

1

k

.

          (12

2). Hipotezy odkształceniowe:

SV: Saint–Venanta

r

3

2

1

k

.

(13)

3). Hipotezy energetyczne

background image

HMH: Hubera - Misesa – Hencky`ego

2
zx

2
yz

2
xy

x

z

z

y

y

x

2
z

2

y

2
x

1

3

3

2

2

1

2
3

2
2

2

1

2
0

3

          (14)

B: Burzyńskiego







2
HMH

2

z

y

x

2

z

y

x

0

4

1

1

2

1

      

           (15)

Przykład 4

 (Krzyś i Życzkowski  [5], str. 123)

Stan naprężenia w punkcie jest określony następującymi danymi:
a)

3

.

0

,

0

,

MPa

10

yz

zx

xy

z

y

x

b)

3

.

0

,

0

,

MPa

10

yz

zx

xy

z

y

x

Przypadek a)

Dla hipotezy HMH możemy od razu obliczyć

HMH

Dla pozostałych hipotez najpierw liczymy naprężenia główne

MPa

1

.

4

,

MPa

10

,

MPa

1

.

24

3

2

1

Dalej liczymy:

G

TG

SV

HMH

Dla hipotezy Burzyńskiego przyjmujemy:

1

(stal):

MPa

5

.

24

HMH

B

6

.

3

 (żeliwo):

B

Przypadek b)

MPa

1

.

24

,

MPa

10

,

MPa

1

.

4

3

1

2

Wyniki dla różnych hipotez

Wyniki dla a)

background image

MPa

G

1

.

4

24.1 MPa

MPa

1

.

28

1

.

24

1

.

4

TG

28.1 MPa

MPa

3

.

14

1

.

24

10

3

.

0

1

.

4

SV

22.3 MPa

1

MPa

5

.

24

B

HMH

24.5 MPa

MPa

6

.

27

6

.

3

B

6.02 MPa

background image

Przykład 5 

(Krzyś i Życzkowski [5], str. 128

Dla przypadku czystego ścinania określonego jednym naprężeniem   porównać naprężenia
zastępcze wynikające z hipotez.

Według hipotezy 

max

:

2

0

Według hipotezy Hubera:

.

3

0

 

W  porównaniu   z   hipotezą  Hubera,   która  –   jak   wykazuje   doświadczenie   –  najlepiej   odpowiada
rzeczywistemu   zachowaniu   się   materiałów   elastoplastycznych,   hipoteza  

max

daje   wynik   o

6

.

15

3

3

2

% za wysoki (na korzyść pewności).

Przykład 6 

(Krzyś i Życzkowski [5], str. 125

Dla stanu naprężenia o charakterystycznym stosunku 

1

:

2

:

4

:

:

3

2

1

 określić dopuszczalne

wartości naprężeń zastępczych za pomocą TG i HMH przyjmując:
a) stal o naprężeniach dopuszczalnych

 

,

3

.

0

,

MPa

0

.

120

k

k

c

r

b) żeliwo o naprężeniach dopuszczalnych

 

3

.

0

,

MPa

3

.

33

k

,

MPa

0

.

120

k

r

c

Według hipotezy TG (Coulomba – Guesta) 

r

k

3

1

 uwzględniając 

,

4

1

1

3

 

 otrzymujemy

3

2

1

zatem dla stali

,

MPa

160

1

,

MPa

80

2

,

MPa

40

3

dla żeliwa zaś 

,

MPa

4

.

44

1

,

MPa

2

.

22

2

,

MPa

1

.

11

3

Według hipotezy HMH

r

k

1

3

3

2

2

1

2

3

2

2

2

1

,

uwzględniając 

1

2

2

1 

,

1

3

4

1 

                     otrzymujemy: 

r

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

k

4

1

8

1

2

1

16

1

4

1

1

2

3

czyli

,

51

.

1

1

r

k

,

76

.

0

2

r

k

,

38

.

0

3

r

k

a więc dla stali

MPa

2

.

181

1

,

,

MPa

6

.

90

2

,

MPa

3

.

45

3

 

dla żeliwa zaś

MPa

3

.

50

1

,

,

MPa

15

.

25

2

,

MPa

6

.

12

3

background image

Przykład 7.

 (wg Krzysia i Życzkowskiego [5], s. 130)

Dla belki wspornikowej o schemacie jak na rysunku wyznaczyć odległość x

, która  rozróżnia

obszary dla  których  naprężenia  zredukowane  są maksymalnie na  osi belki (y=0)  lub  we
włóknach skrajnych (y = h/2)

x

b

y

z

=

y

P

l

- y

d

y

d

y

0

0

0

1

y

2

y

y

3

3

0

0

0

g

0

d

=

1

 =

2

0

g

0

0

0

g

0

0

x

*

x

* *

g

d

d

y

h

=

2

y

Rys. 4

L = 1.0 cm

E = 210 GPa

H = 20 cm

E = 2.10 - 10

3

 MPa

B = 6 cm

- Pole sił wewnętrznych

 

 

P

x

Q

,

Px

x

M

- Charakterystyki przekroju





2

2

z

2

2

z

y

4

h

2

b

)

y

(

S

,

1

bh

I

,

bh

A

(16)

- Pola naprężeń

Fxy

2

xy

bh

P

12

y

I

)

x

(

M

3

z

x

(17)









2

2

2

2

3

z

z

xy

y

4

h

F

y

4

h

bh

P

6

b

I

)

y

(

QS

(18)

gdzie: 

3

bh

P

6

F

a) Hipoteza HMH







2

2

2

2

2

2

2

2
0

y

4

h

3

y

x

4

F

3

                                  (19)

Stąd równania

ścinanie

2

2

2

zginanie

2

2

2

0

y

4

h

3

y

x

4

F





 

                               (19.1)

background image

Rozumowanie: Szukamy takiego 

*

x , dla którego naprężenie zredukowane od zginania we włóknach

skrajnych jest równe naprężeniu zredukowanemu od ścinania dla osi obojętnej, a więc:

,

h

16

3

x

16

h

3

4

h

x

4

2

2
*

4

2

2

           (20)

stąd

h

433

.

0

h

16

3

x

*

                      (21)

Wartość naprężenia maksymalnego naprężenia zredukowanego wynika z (2) lub (1):

A

P

6

.

2

bh

P

2

3

3

4

h

3

F

2

h

y

,

x

0

y

,

x

2

*

0

*

0

                      (22)

Obliczanie  

*

*

x   jest   bardziej   złożone,   gdyż   wymaga   wyznaczenia   położenia   ekstremów

.

0

y

y

,

0

y

3

2

1

 Równania (19.1) rozpisujemy do postaci

,

h

16

3

y

x

4

h

2

3

y

3

s

4

2

2

2

4

2

                                              (23)

gdzie: 

.

F

/

s

0

 Poszukujemy punktów istnienia ekstremów z równania

 

0

y

s

2

   

0

x

4

h

2

3

2

y

12

y

y

x

4

h

2

3

2

y

12

2

2

2

2

2

3

(24)
i stąd pierwiastki:

,

0

y

1

0

x

4

h

2

3

y

6

2

2

2

           (25)

Będziemy mieli 

0

y

y

3

1

 jeśli wyraz wolny będzie równy zeru, a więc:

0

x

4

h

2

3

2

2

h

612

.

0

h

8

3

x

*

*

           (26)

Wartość maksymalnego naprężenia zredukowanego jest osiągana dla 

2

h

y

  i zgodnie z (17) wynosi:

A

P

67

.

3

bh

P

3

3

2

h

h

8

3

bh

P

12

2

h

y

,

x

3

0

           (27)

b) hipoteza TG

4

2

2
0

4

           (28)

stąd:

2

2

2

2

2

2

0

y

4

h

4

y

x

4

F





 

           (29)

A

P

3

2

h

,

x

0

,

x

,

h

5

.

0

x

*

0

*

0

*

                                  (30)

Zamiast równania (23) otrzymujemy:

4

h

y

x

2

h

2

y

4

s

2

2

2

2

4

2

           (31)

stąd:

 

0

y

x

2

h

4

y

12

0

y

s

2

2

3

2

           (32)

background image

,

h

707

.

0

h

2

1

x

            

           (33)

A

P

25

.

4

2

h

y

,

x

*

*

0

           (34)

Przykład 8

 (wg Krzyś i Życzkowski [ 5 ], s.128

Belka stalowa o przekroju kołowym obciążona jest na swobodnym końcu siłą P jak na rys.2.

Wyznaczyć punkty, w których naprężenie zastępcze – według hipotezy energii odkształcenia
postaciowego   –   osiąga   maksymalną   wartość.   Rozkład   naprężeń   przyjąć   według   teorii
elementarnej.

x

P

x

y

z

b ( y )

x z

x y

I

Rys. 5

Rozwiązanie:

Belka   narażona   jest   na   równoczesne   zginanie   i   ścinanie.   Zgodnie   z   teorią   elementarną,

naprężenia od zginania wynoszą

z

z

x

I

y

M

           (35)

od ścinania zaś (dla punktów na obwodzie koła) zgodnie z rys     

cos

r

2

)

y

(

b

,  

cos

xy

,

2

2

2

r

y

1

cos

3

3

I
z

cos

3

r

2

S

 (patrz tablice)

2

z

I
z

xy

cos

A

Q

3

4

)

y

(

b

I

S

Q

,

r

y

1

A

Q

3

4

2

2

2
xz

2

xy

           (36)

gdzie

.

r

A

,

4

r

I

,

P

Q

Px

M

2

4

z

z

Po podstawieniu obliczonych naprężeń do wzoru na naprężenie zredukowane  

2

2

0

3

  i

podnosząc stronami do kwadratu otrzymujemy:

background image

ścinanie

2

2

4

2

2

zginanie

8

2

2

2

2

2
0

r

y

1

r

3

P

16

r

y

x

P

16





.

r

3

P

16

y

r

3

1

r

x

r

P

16

4

2

2

2

2

4

2

4

2

2

2
0





    

           (37)

Oznaczając







C

r

3

P

16

B

r

3

1

r

x

r

P

16

4

2

2

2

4

2

4

2

2

 

           (38)

możemy napisać

.

C

By

2

2
0

           (39)

a) Gdy 

,

0

B

 czyli  

0

r

3

1

r

x

2

4

2

,

577

.

0

3

3

r

r

x

           (40)

naprężenie   zastępcze   osiąga   największą   wartość   we   włóknach   skrajnych,   tj.   dla  

r

y

   i     po

podstawieniu do wzoru (4) wynosi:

z

z

3

0

W

M

4

r

Px

)

r

,

x

(

           (41)

gdzie  

4

r

W

3

z

  jest   wskaźnikiem   zginania.   A   zatem   gdy  

r

x

577

.

0

,   dla   wytężenia   belki

rozstrzygający jest moment zginający.

b) Gdy B = 0, czyli

,

577

.

0

3

3

r

r

x

           (42)

wówczas naprężenie zastępcze liczone ze wzoru (4)  we wszystkich punktach na obwodzie przekroju
ma tę samą wartość 

C

2
0

3

4

2

0

r

P

 

           (43)

lub inaczej

,

3

W

M

max

z

z

0

           (44)

gdzie 

z

z

W

M

 określa maksymalne naprężenie od zginania w rozpatrywanym przekroju, tj. dla 

,

r

y

    a

A

Q

3

4

max

           (45)

maksymalne naprężenie od ścinania w linii obojętnej, tj. dla 

.

0

y

c) Gdy wreszcie 

,

0

A

 czyli

,

577

.

0

3

3

r

r

x

           (46)

background image

naprężenie zastępcze przyjmuje największą wartość dla  

.

0

y

 , tj. w linii obojętnej, z uwagi na

zginanie i wynosi ze wzoru (4) 

 

0

,

x

0

 

.

3

3

A

Q

3

4

3

r

P

4

0

,

x

max

2

0

                                                       (47)

Zatem jedynie gdy 

,

577

.

0

r

x

 o wytężeniu belki decyduje jej ścinanie.