Изгиб: основные понятия, формулы и расчеты при изгибе

Нужна помощь в решении задач? Могу помочь😉 Здесь подробнее.

В этой статье начнем говорить об изгибе. Здесь я расскажу, что такое изгиб. Посмотрим, какие виды изгибов бывают. А также рассмотрим основные расчеты при этом виде деформации: расчеты на прочность и жесткость.

Что такое изгиб?

Изгиб – это вид деформации, при котором происходит искривление (изгиб) продольной оси стержня, а в поперечных сечениях стержня возникают изгибающие моменты, и почти всегда поперечные силы.

Поперечные силы и изгибающие моменты называют внутренними силовыми факторами (ВСФ).

Как определяют внутренние силовые факторы при изгибе?

Для определения поперечных сил и изгибающих моментов, используется метод сечений. Как обычно, стержни мысленно рассекаются на части:

Указание рассматриваемого сечения балки

Действие частей друг на друга заменяется внутренними силовыми факторами:

ВСФ балки в рассматриваемом сечении


И рассматривая равновесие одной из частей, находятся поперечная сила и изгибающий момент в сечении:

Рассмотрение равновесия отдельной части балки


Для стержней, работающих на изгиб, обязательно рассчитывают и строят эпюры внутренних силовых факторов. Как рассчитывать и строить эпюры поперечных сил и изгибающих моментов можно прочитать, перейдя по ссылке чуть ниже.

Виды изгибов

В зависимости от возникающих в поперечных сечениях ВСФ, принято выделять различные виды изгибов.

Поперечный (прямой) изгиб

Схема бруса, испытывающего поперечный изгиб
Стержень, работающий на поперечный изгиб.
Эпюры для стержня, работающей на поперечный изгиб

Поперечный (прямой) изгиб – это вид деформации, при котором в поперечных сечениях стержня возникают два внутренних силовых фактора: поперечные силы и изгибающие моменты.

Чистый изгиб

Схема стержня, испытывающего чистый изгиб
Стержень, работающий на чистый изгиб.
Эпюры для балки, работающей на чистый изгиб

При чистом же изгибе в сечениях возникают исключительно изгибающие моменты.

Другие виды изгибов

Чистый и поперечный изгиб — это наиболее простые виды изгибов, только их и будем рассматривать в этой статье. Однако, ты должен знать, что существуют и более сложные виды сопротивления: косой изгиб, изгиб с кручением, внецентренное растяжение (сжатие). Такие темы, как правило, изучаются во втором семестре.

Схема балки, работающей на косой изгиб
Стержень, испытывающий изгиб с кручением
Внецентренное сжатие стержня

Расчеты на прочность при изгибе

Теперь предлагаю поговорить о расчётах на прочность при поперечном изгибе. При этом виде деформации расчёты проводятся и по нормальным напряжениям и по касательным. Но так как зачастую касательные напряжения в несколько раз меньше нормальных, основным здесь является расчёт по нормальным напряжениям, а расчёт по касательным напряжениям — проверочный.

Условие прочности

Условие прочности по нормальным напряжениям такое же, как и при растяжении (сжатии):

Условие прочности при поперечном изгибе

Нормальные напряжения в сечениях при поперечном изгибе, определяются по следующей формуле:

Формула для определения нормальных напряжений при поперечном изгибе

где Mизг – изгибающий момент в сечении;

W – момент сопротивления сечения;

Моменты сопротивления сечений можно вычислить по данным формулам.

Расчет на жесткость при изгибе

В качестве примера возьмём балку, загруженную распределенной нагрузкой по всей длине. Для этой балки подберем двутавровое сечение (ГОСТ 8239-89) по сортаменту из условия прочности. Затем проверим жесткость такой балки, если допустимое перемещение равно [V] = 2 см.

Расчетная схема двутавровой балки, загруженная распределенной нагрузкой

Для такой балки наиболее опасным сечением будет сечение в заделке (точка A), для которого изгибающий момент будет равен:

Изгибающий момент в сечении A

А эпюра будет выглядеть следующим образом:

Построение эпюры изгибающих моментов для расчетной схемы

Более подробно о построении эпюры изгибающих моментов можно почитать, перейдя по указанной ссылке.

Теперь, зная значение максимального изгибающего момента, найдем минимально требуемый момент сопротивления, чтобы балка удовлетворяла условию прочности:

Определение минимально требуемого момента сопротивления

По сортаменту выбираем двутавр №36, у которого:

Характеристики двутавра №36

Более подробно, о прочностных расчетах при изгибе, можно узнать здесь.

Проверка балки на жесткость

Мы предварительно подобрали поперечное сечение балки, а теперь, нужно проверить, выполняется ли условие жесткости для такой балки, с таким сечением.

Деформированная схема двутавровой балки

Нетрудно догадаться, что свободный торец балки (точка K) будет иметь наибольшее перемещение. Именно для этого сечения будем производить расчет на жесткость.

Демонстрация расчетного прогиба на схеме

Для определения прогиба точки K можно воспользоваться шаблонной формулой, которая уже выведена конкретно для расчетной схемы, как у нас (консольной балки, загруженной по всей длине распределенной нагрузкой):

Формула для расчета прогиба сечения K

Подставим все численные значения и найдем прогиб точки K:

Вычисление численного значения прогиба точки K

Таким образом, условие жесткости не выполняется:

Условие жесткости
Проверка условия жесткости

Подбор нового сечения из условия жесткости

Подберем новое поперечное сечение! Для этого нужно найти минимально требуемый момент инерции из условия жесткости:

Демонстрация величины необходимой для выражения из формулы
Формула для вычисления момента инерции
Определение минимального момента инерции, необходимого для обеспечения жесткости балки

Выбираем следующий по списку сортамента двутавр №40, у которого:

Момент инерции двутавра №40

Вычислим прогиб с учетом нового профиля:

Вычисление нового численного значения прогиба точки K

Теперь жесткость балки обеспечена:

Демонстрация соблюдающегося условия жесткости

Таким образом, окончательно принимаем двутавр №40. Который одновременно удовлетворяет условиям прочности и жесткости.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *