Проверочный и проектный расчеты при кручении

ЗадачаДля заданного стального бруса  d=50мм (материал – сталь Ст3)  построить эпюры крутящих моментов, углов поворота поперечных сечений. Проверить прочность бруса, если допускаемое касательное напряжение [τ]=30МПа. Подобрать для бруса кольцевое сечение при 2019-01-21_15-34-45 . Сравнить сечения по расходу материала.

2019-01-21_15-36-471.Расставляем сечения на характерных участках. Начинаем расчет от свободного конца бруса, рассматривая правую часть и отбрасывая оставшуюся левую часть с заделкой. Каждое сечение рассматриваем отдельно, определяя в нем значение крутящего момента.

2019-01-21_15-38-12

2019-01-21_15-39-04

Строим эпюру МК

2019-01-21_15-46-11

2.Строим эпюру углов поворота сечений. Углы поворота сечений определяем по формуле 2019-01-21_15-40-51

Расчет ведем по сечениям от неподвижного конца – стены А, в которой угол поворота равен нулю φА=0. В формуле обязательно следует учитывать знаки крутящих моментов.

Модуль сдвига для Ст3 G = 0,8·105 МПа = 0,8·108 кПа.

Определим полярный момент инерции для круглого сечения:

2019-01-21_15-42-50

Вычисляем углы поворота сечений — от стены А.

2019-01-21_15-44-10

Если требуется перейти к градусной мере, то:

2019-01-21_15-44-54

Далее вычисляем все последующие углы поворота, учитывая ранее найденные:

2019-01-21_15-48-08Строим эпюру φ

2019-01-21_15-49-33

3.Проверим прочность бруса по формуле 2019-01-21_15-50-37

Максимальный крутящий момент с эпюры МК = 0,75 кНм.

Определим полярный момент сопротивления сечения:

2019-01-21_15-52-10

Тогда2019-01-21_15-53-03 -прочность обеспечена.

4.Подбираем кольцевое сечение для вала с  2019-01-21_15-34-45.

Наружный диаметр кольца определим по формуле проектного расчета для кольцевого сечения:

2019-01-21_15-55-12

Тогда d = 0,8 · 60 = 48 мм.

Проверим прочность подобранного сечения. Полярный момент сопротивления для кольца:

2019-01-21_15-56-33Тогда2019-01-21_15-57-11-   прочность обеспечена.

5. Сравним варианты – круглое и кольцевое – по расходу материала

2019-01-21_15-58-182019-01-21_15-58-39

2019-01-21_16-05-45

В задаче площадь круглого вала А = 19,6 см2, а у кольцевого сечения (полого) А = 10,7 см2, что позволяет говорить об экономии материала почти в два раза. Т.о. брус (вал) кольцевого сечения экономичнее равнопрочного сплошного.

Объясняется это эпюрой касательных напряжений в сплошном брусе.