Определение прогибов и углов поворотов методом мора. Теория прочности предельных напряженных состояний (теория Мора) Уравнение мора

Прочность горных пород. Критерии прочности

Разрушение пород - определяющий процесс горной технологии, Действительно, нельзя добыть полезное ископаемое, предварительно его не разрушив. Однако проблема прочности очень сложна и далеко не одно­значна. Например, хрупкие породы при определенной нагрузке «взрывоподобно» распадаются на части, а влажные глины сохраняют свою сплош­ность при любом механическом воздействии. В то же время, очевидно, что прочность глин существенно ниже прочности скальных пород, Поэтому для различных твердых тел применяют различные критерии прочности.

1. Критерий наибольших нормальных напряжений является исто­рически первым частным критерием, сформулированным еще Галилеем. В соответствии с этим критерием разрушение тела определяется максималь­ным (предельным) нормальным напряжением

Критерий справедлив при одноосном растяжении хрупких пород, Как всякое напряжение, прочность измеряется в Па или.

2. Критерий наибольших удлинений (критерий Мариотта) определяет разрушение предельной для данного тела величиной относительной деформации

Данный критерий справедлив только при упругих деформациях, тогда и Окончательно критерий запишется в виде

3. Критерий наибольших касательных напряжений (критерий Кулона) справедлив при пластическом деформировании тел

При этом касательное напряжение достигает максимального значения в площадке под углом в 45° к линии действия нормального сжимающего напряжения и составляет Тогда

4. Энергетический критерий принимает в качестве условия разру­шения предельную для данного тела величину накопленной потенциаль­ной энергии. Рассматривая удельную энергию как, для трехмер­ного случая можно получить

5. Критерий Мора определяется зависимостью предельных каса­тельных и нормальных напряжений

Данный критерий широко применяется в инженерных расчетах, по­этому рассмотрим его более детально.

Разрушение горных пород в реальных процессах всегда происходит в условиях сложного напряженного состояния, т.е. при различном сочетании нормальных и касательных напряжений. Рассмотрим плоскую задачу (рис,3.8). Пусть элементарный объем горной породы разрушается под дей­ствием напряжений и. Тогда в любой произвольной площадке под углом действуют разрушающие напряжения и. Для определе­ния их величины производится построение круга напряжений Мора. На разнице векторов и, как на диаметре, производится построение окружности и проводится луч под углом, соответствующим углу наклона выделенной площадки. Точка пересечения луча с кругом напряжений Мо­ра даст величину действующих в данной площадке напряжений.

Для определения разрушающих напряжений в любом сложном на­пряженном состоянии требуется построить бесконечное множество кругов напряжений Мора (рис. 3.9). На данном рисунке приведены наиболее характерные предельные круги напряжений Мора. Всю их совокупность можно описать некоторой огибающей, которая и будет характеризовать прочность горной породы в любом сложном напряженном состоянии.

Рис. 3.8. Диаграмма напряжений Мора

Рис. 3.9. Огибающая кругов напряжений Мора: 1- объемное растяжение; 2- одноосное растяжение, 3- растяжение со сжатием; 4- одноосное сжатие; 5- всестороннее неравномерное сжатие

Это означает, что точки на огибающей соответствуют сочетанию нормальных а и касательных т напряжений, при которых происходит разрушение гор­ной породы. Все точки внутри огибающей соответствуют напряжениям, которые данная горная порода способна выдержать без разрушения.

Таким образом (как видно из чертежа), разрушение горной породы наступает тогда, когда либо касательные напряжения превысят величину, определяемую огибающей кругов напряжений Мора, либо нормальные растягивающие напряжения превысят определенный предел. Отсюда сле­дует важный вывод: разрушить горную породу чистым сжатием невоз­можно. Действительно, при сжатии происходит сближение атомов, реак­ция отпора может возрастать до бесконечности без разрушения связи меж­ду частицами, образующими кристаллическую решетку.

Теория прочности предельных напряженных состояний, предложенная Мором (начало ХХв.), основывается на предположении, что прочность материалов в общем случае напряженного состояния зависит главным образом от величины и знака наибольшего s 1 и наименьшего s 3 из главных напряжений. Среднее по величине главное напряжение лишь незначительно влияет на прочность.

Если при данных значениях s 1 и s 3 нарушается прочность материала, то круг, построенный на этих напряжениях, называется предельным. Меняя предельное напряженное состояние, получим для данного материала семейство предельных окружностей (рис.39):

Опыты показывают, что по мере перехода из области растяжения в область сжатия прочность увеличивается. Это соответствует увеличению диаметров предельных окружностей по мере движения влево. Огибающая АВСД семейства предельных кругов ограничивает область прочности.

При наличии предельной огибающей расчет прочности производится весьма просто. По найденным значениям главных напряжений s 1 и s 3 строим круг. Прочность будет обеспечена, если он целиком лежит внутри огибающей. Огибающую определяют путем построения по опытным данным нескольких кругов при различных комбинациях главных напряжений.

О применимости той или иной теории прочности для практических расчетов можно сказать следующее. Разрушение материалов происходит путем отрыва за счет растягивающих напряжений и путем среза за счет наибольших касательных напряжений. При этом разрушение путем отрыва может происходить при весьма малых остаточных деформациях или вовсе без них (хрупкое разрушение). Разрушение путем среза имеет место лишь после некоторой остаточной деформации (вязкое разрушение). Отсюда ясно, что первую и вторую теории прочности, отражающие разрушение путем отрыва, следует применять для материалов, находящихся в хрупком состоянии. Третью и четвертую теории прочности, отражающие наступление текучести и разрушение путем среза, следует применять для материалов, находящихся в пластическом состоянии. Теория прочности Мора является универсальной и пригодной для всех материалов.

Так как первая и вторая теории прочности имеют существенные недостатки, то в настоящее время все более утверждается мнение о нежелательности их применения.

Таким образом, для практических расчетов следует рекомендовать:

а) третью теорию (или четвертую) – для материалов, одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию;

б) теорию Мора – для материалов, различно сопротивляющихся растяжению и сжатию.

Следует подчеркнуть, что хрупкое или пластическое состояние материала определяется не только его характером, но и видом напряженного состояния, температурой и скоростью нагружения. Как показывают опыты, пластичные материалы при определенных условиях нагружения и температуре ведут себя как хрупкие, в то же время хрупкие материалы при определенных напряженных состояниях ведут себя как пластичные.

Так, например, при напряженных состояниях, когда все три главных напряжения - растягивающие и близки по величине, пластичные материалы ведут себя как хрупкие.

При напряженных состояниях, близких к всестороннему сжатию, хрупкие материалы могут вести себя как пластичные. При всестороннем сжатии материалы могут выдерживать, не разрушаясь, очень большие давления.

Допустим, что мы располагаем испытательной машиной, на которой образцу можно задавать любые напряженные состояния с пропорциональным изменением всех компонент.

Выберем некоторое напряженное состояние и будем одновременно увеличивать все компоненты. Рано или поздно это напряженное состояние станет предельным. Образец либо разрушится, либо в нем появятся пластические деформации. Вычертим для предельного состояния на плоскости наибольший из трех кругов Мора (круг 1, рис. 8.2). Будем в дальнейшем считать, что предельное состояние не зависит от Далее, на образце того же материала проводим испытание при другом напряженном состоянии. Снова путем пропорционального увеличения компонент добиваемся того, что напряженное состояние станет предельным. На диаграмме (см. рис. 8.2) вычерчиваем соответствующий круг (круг 2).

Вычерчиваем их общую огибающую. Примем, что эта огибающая является единственной, независимо от промежуточных главных напряжений . Это положение является основным допущением в излагаемой теории.

Форма огибающей предельных кругов Мора зависит от свойств материала и является его механической характеристикой, такой же, как, например, диаграмма растяжения. Если огибающая предельных кругов для материала дана, можно при любом заданном напряженном состоянии определить коэффициент запаса. Для этого надо по заданным напряжениям вычертить наибольший из трех кругов Мора, а затем, хотя бы графически, установить, во сколько раз следует увеличить чтобы увеличенный круг касался предельной огибающей.

В изложенном подходе к вопросам предельных состояний не содержится, как видим, критериальных гипотез, и теория Мора основана в первую очередь на логической систематизации результатов необходимых экспериментов.

Теперь нужно решить вопрос о том, как построить огибающую предельных кругов при ограниченном числе испытаний. Наиболее простыми являются испытания на растяжение и сжатие. Следовательно, два предельных круга получить просто (рис. 8.3). Можно получить еще один предельный круг путем испытания тонкостенной трубки на кручение. При этом материал будет находиться в состоянии чистого сдвига и центр соответствующего круга расположится в начале координат (рис. 8.4).. Однако этот круг для определения формы огибающей мало что дает, поскольку расположен вблизи двух первых кругов.

Для определения огибающей чрезвычайно важно знать положение точки С (см. рис. 8.2 и 8.3). Нормальное напряжение в этой точке представляет собой напряжение отрыва при всестороннем растяжении. До сих пор, однако, не существует метода для проведения соответствующего испытания. Вообще не удается осуществить испытание в условиях напряженного состояния, когда все три главных напряжения являются растягивающими (об этом подробнее см. в § 14.2). Поэтому пока нет возможности построить для материала предельный круг, расположенный правее предельного круга растяжения.

В силу указанных обстоятельств наиболее простым и естественным является решение аппроксимировать предельную огибающую касательной к кругам растяжения и сжатия (см. рис. 8.3). Понятно, что это не исключает возможности в дальнейшем, когда будут найдены новые методы испытания, уточнить форму огибающей и тем самым более полно отразить особенности поведения материала в условиях, близких к всестороннему растяжению.

Выведем выражение для полагая, что огибающая является прямой. На рис. 8.4 эта огибающая проведена по касательной к предельным кругам растяжения и сжатия (точки и

Построим круг Мора для некоторого напряженного состояния, заданного наибольшим и наименьшим главными напряжениями (см. рис. 8.4). Если все компоненты этого напряженного состояния увеличить в раз (где - коэффициент запаса), то круг станет предельным. Напряжения примут значения

Этот увеличенный (предельный) круг Мора касается предельной огибающей в точке С. Кроме того, согласно условию пропорционального увеличения компонент, он будет касаться продолжения луча ОА в точке В. Из точки С проводим горизонтальную прямую и составляем пропорпорцию:

Но отрезки и представляют собой разности радиусов рассматриваемых кругов. Поэтому

Преобразовывая пропорцию, получаем

или, если учесть выражения (8.3),

Для эквивалентного растяжения

По условию эквивалентности коэффициенты запаса в этих напряженных состояниях равны. Поэтому

где - отношение предела текучести при растяжении к пределу текучести при сжатии: . В частном случай, если материал имеет при растяжении и сжатии одинаковые пределы текучести, Тогда формула (8.4) переходит в полученную ранее формулу (8.1).

В настоящее время практические расчеты по допускаемым напряжениям в сложном напряженном состоянии ведут, как правило, на основе формулы (8.4). Вместе с тем, если материал обладает одинаковыми механическими характеристиками при растяжении и сжатии, то расчеты можно вести по

формулам гипотезы энергии формоизменения. Числовые результаты получаются вполне удовлетворительными.

Основное ограничение, которое накладывается на применение теории Мора, связано с недостаточной точностью определения предельной огибающей в области всестороннего растяжения. Это ограничение, однако, не столь существенно, поскольку напряженные состояния такого рода при решении практических задач встречаются редко. Недостаточно точно известен также вид предельной огибающей в области глубокого всестороннего сжатия. Здесь вследствие принятого упрощения также возможны погрешности. Наилучшие результаты выведенная расчетная формула дает для смешанных напряженных состояний, т. е. при Тогда предельный круг Мора располагается в интервале между предельными кругами растяжения и сжатия.

Подход Мора хорош тем, что позволяет в связи с особенностями напряженного состояния доходчиво разъяснить относительную условность деления материалов на пластичные и хрупкие.

Для одного и того же материала мы всегда можем построить две огибающие предельных кругов Мора. Первая огибающая характеризует переход от упругого состояния материала к пластическому. Поскольку образование пластических деформаций мы принимаем независимым от шарового тензора, эта огибающая представляет собой прямую, параллельную оси а (рис. 8.5). Вторая огибающая соответствует разрушению образца (кривая 2).

Для материала пластичного (в общепринятом понимании этого термина) прямая 1 в правой части диаграммы (см.

рис. 8.5, а) проходит ниже кривой 2. Это означает, что при обычном испытании образца на растяжение круг Мора 8, но мере увеличения растягивающего напряжения а, сначала пересечет прямую 1. В образце возникнут пластические деформации. Затем круг 3 коснется кривой 2. Образец разрушится.

Теперь рассмотрим взаимное расположение огибающих для хрупкого материала (см. рис. 8.5, б). Здесь прямая 1 в правой части диаграммы расположена выше кривой 2. При испытании образца на растяжение круг Мора 8, не касаясь прямой 1, соприкасается с кривой 2. Разрушение происходит без заметных остаточных деформаций, как и положено для хрупких материалов. Предел текучести при этом, естественно, не определяют. Но это еще не значит, что он не существует. Представим себе, что мы испытываем тот же образец на растяжение в условиях высокого гидростатического давления. Тогда круг 3, как единое целое, сместится в левую часть диаграммы и при увеличении растягивающей силы коснется сначала прямой 1, но не кривой 2. Мы получаем и пластические деформации для материала, считающегося хрупким, и находим даже его предел текучести.

Все признаки хрупкого разрушения можно получить и у пластичного материала, если его испытывать в условиях наложенного всестороннего растяжения.

Главное достоинство теории Мора заключается в принципе подхода к рассматриваемому вопросу. К сожалению, на это далеко не всегда обращают внимание, и часто теорию Мора ставят в один ряд с общеизвестными гипотезами, а то обстоятельство, что в частных случаях расчетная формула Мора совпадает с расчетной формулой гипотезы касательных напряжении, усиливает впечатление о равноценности этих подходов. Между тем феноменологический подход Мора, т.е. подход, основанный на логическом описании явления, является наиболее естественным и правильным. При обнаружении погрешностей или несоответствий этот подход сохраняет за нами возможность внести в теорию дополнительные уточнения. Так, если в дальнейшем удастся провести испытания образцов в области положительных можно будет аппроксимировать предельную огибающую Мора уже не прямой, а некоторой

кривой. В расчетную формулу в этом случае войдут не только характеристики материала на растяжение и сжатие, но и некоторые новые показатели, найденные в результате дополнительных испытаний.

Особое значение приобретает феноменологический подход в связи с широким применением в технике новых материалов. Такие материалы, как стеклопластики, стеклоткани и вообще материалы, имеющие волокнистую структуру, часто работают в условиях сложного напряженного состояния. При анализе подобных конструкций уже не приходится рассчитывать на апробированные теории. Надо создавать новую теорию, а это не всегда легко. Поэтому более целесообразным является феноменологический подход.

Сказанное о предпочтительности феноменологического подхода к вопросам предельного состояния не зачеркивает практического значения некоторых гипотез. Так, гипотеза максимальных касательных напряжений и гипотеза энергии формоизменения, прочно вошли в расчетную практику и обеспечивают большие удобства при решении конкретных задач, а гипотеза энергии формоизменения приобрела особое значение в связи с созданием и развитием теории пластичности (см. § 11.2).

Рассмотрим примеры, иллюстрирующие применение теории предельных состояний.

Пример 8.1. Определить, какое из трех показанных на рис. 8.6 напряженных состояний является более опасным. Числовые значения напряжений заданы в Материал на растяжение и на сжатие работает одинаково

Подсчитываем эквивалентное напряжение по формуле (8.4) для случаев а, б и в.

Наиболее опасным является состояние а. Состояния a и b равкоопасны.

Пример 8.2. Прибор для исследования морских глубин опускают под воду на глубину Н (рис. 8.7). Вес прибора в воде равен Р. Плотность воды , а материала троса . Определить эквивалентные напряжения в верхнем и нижнем сечениях троса, если

В нижнем сечении имеет место трехосное напряженное состояние. Растягивающее напряжение создается весом прибора, сжимающее - давлением жидкости на глубине

В верхнем сечении имеет место только осевое растяжение, создаваемое весом прибора Р и весом троса в воде Таким образом, в верхнем сечении

Если плотность троса более чем в два раза превышает плотность воды, то наиболее опасным будет верхнее сечение троса. Это сечение необходимо также проверить на прочность в случае, когда прибор висит на тросе в воздухе перед опусканием в воду.

Пример 8.3. Через систему шестерен передается момент (рис. 8.8). В пределах вычерченного узла этот момент уравновешивается моментом на нижней шестерне, где передаточное число от

первого вала ко второму. Подобрать диаметр первого вала, если дано: см. Материал на растяжение и сжатие работает одинаково: . Требуется обеспечить двукратный запас прочности

Из условия равенства нулю суммы моментов относительно оси вала находим тангенциальную силу на шестерне (рис. 8.8, б): . Между шестернями возникает не только тангенциальная, но и радиальная сила Ее значение зависит от типа зацепления. Обычно принимают, что Определяя реакции опор, строим эпюры изгибающих и крутящих моментов (рис. 8.8, в).

Результирующий наибольший изгибающий момент равен, очевидно,

Наиболее опасной будет периферийная точка В в сечении, лежащая в плоскости момента (рис. 8.8, г).

В окрестности точки выделяем элемент, показанный на рис. 8.8, д. Напряжение определяется изгибающим моментом, крутящим:

Для полученного напряженного состояния находим главные напряжения. Поскольку одна из главных площадок известна, пользуемся

построением круга Мора (рис. 8.9), откуда получаем

Подставляя сюда значения изгибающего и крутящего моментов, получаем окончательно

По заданным числовым значениям величии из условия находим диаметр мм.

Рассмотренное в последнем примере напряженное состояние всегда встречается при расчете вала на совместные кручение и изгиб (или растяжение). Поэтому имеет смысл для плоского напряженного состояния , показанного на рис. 8.9, сразу выразить стэкв через две указанные компоненты с тем, чтобы избежать промежуточного определения главных напряжений.

Главное напряжение влияет на прочность материала, однако изменяет ее незначительно - в пределах 15%. Поэтому можно с известным приближением считать, что прочность материала определяется лишь наибольшим и наименьшим главными напряжениями Таким образом, расчет прочности в общем случае трехосного напряженного состояния сводится к расчету прочности при двухосном напряженном состоянии.

Для анализа прочности материала при двухосном напряженном состоянии удобно пользоваться кругами Мора, подробно рассмотренными в § 5.3.

Если для какого-либо материала имеются данные о его опасных состояниях при нескольких различных соотношениях между напряжениями то, изображая каждое опасное напряженное состояние при помощи круга Мора, получаем некоторое семейство таких кругов (рис. 1.8). Если к этому семейству кругов провести огибающую, то круги, характеризующие прочное состояние материала, будут располагаться внутри огибающей, а характеризующие опасное состояние - касаться ее.

Уменьшив эти круги в раз (где п - коэффициент запаса) и сохранив масштаб для напряжений, можно получить круги и огибающую, соответствующие допускаемым напряженным состояниям (рис. 2.8).

Для материалов, сопротивление которых сжатию больше, чем растяжению, ординаты огибающей уменьшаются по мере возрастання растягивающих напряжений (см. рис. 1.8). В некоторой точке А (при положительном значении а) огибающая пересекает ось абсцисс. Эту точку можно рассматривать как круг Мора для случая всестороннего равномерного растяжения.

Эксперименты показывают, что при всестороннем равномерном сжатии материал не разрушается, как бы велики ни были сжимающие напряжений. Поэтому огибающая остается незамкнутой и не пересекает ось абсцисс при отрицательных значениях а.

Получение достаточного количества опытных данных для точного построения огибающей затруднительно.

Поэтому практически огибающую, соответствующую допускаемым напряженным состояниям, имеющую криволинейное очертание, заменяют двумя прямыми АВ и АС, которые являются касательными к кругам Мора, построенным по значениям полученным на основании опытов на одноосное растяжение и сжатие (рис. 3.8).

Для того чтобы выяснить, удовлетворяется ли условие прочности в некоторой точке тела при возникающих в ней главных напряжениях и по этим значениям напряжений необходимо построить соответствующий круг Мора.

Если круг будет расположен между прямыми АВ и АС (круг 1 на рис. 3.8), то, следовательно, материал в окрестности рассматриваемой точки имеет избыточную прочность, а если круг будет пересекать эти прямые (круг 2 на рис. 3.8), то этот материал имеет недостаточную прочность, т. е. коэффициент запаса для соответствующего напряженного состояния меньше требуемого. Круг, касающийся прямых АВ и АС (круг 3 на рис. 3.8), характеризует напряженное состояние, которое является допускаемым.

Этот способ проверки прочности материала предложен О. Мором.

Выяснить, удовлетворяет ли данное напряженное состояние условию прочности, можно и не прибегая к построению круга Мора, а воспользовавшись аналитическим выражением условия прочности. Для получения такого выражения построим круг Мора, касающийся прямых А3 и А3", т. е. круг, соответствующий допускаемому напряженному состоянию (этот круг в точке 5 на рис. 4.8 касается прямой А3), и установим соотношение между главными напряжениями в этом состоянии.

Из подобия треугольников 1-2-8 и 6-7-8 (рис. 4.8) находим

Подставляем эти значения в уравнение (а):

откуда после преобразований получаем

Следовательно, условие прочности имеет вид

Условие (9.8) выражает упрощенную теорию Мора, в которой предельные (или допускаемые) огибающие заменены прямыми, проведенными по известным значениям опасных (или допускаемых) напряжений при простом растяжении и сжатии.

Теория прочности Мора широко используется при расчетах конструкций из хрупких материалов. Для пластичных материалов допускаемые напряжения на одноосное растяжение и сжатие одинаковы и теория прочности Мора совпадает с третьей теорией прочности. Поэтому теорию прочности Мора иногда рассматривают как обобщение третьей теории применительно к хрупким материалам, неодинаково сопротивляющимся растяжению и сжатию. Заметим, что при огибающая кругов Мора, соответствующих предельным (или допускаемым) напряженным состояниям, параллельна оси а.

Недостатком теории прочности Мора (так же как и третьей теории) является пренебрежение влиянием промежуточного главного напряжения

Кроме того, следует иметь в виду, что, по существу, она применима для случаев таких напряженных состояний, для которых т. е. главные круги Мора (т. е. круги, построенные на главных напряжениях ) располагаются между кругами, соответствующими одноосному растяжению и одноосному сжатию, использованными при выводе условия прочности (9.8).

Рассмотренные выше теории, основанные на проверке прочности для пластичных материалов по величине касательных напряжений, не учитывают различие свойств материала при работе на растяжения и сжатие, т.е. для случаев, когда . Такое различие свойств материалов учитывается теорией, получившей имя немецкого ученого Мора. Эта теория, являясь дополнением к третьей теории прочности, имеет довольно громоздкий вид. Это связано с тем, что при ее получении напряженное состояние описывалось графическим образом с помощью так называемых кругов Мора.

Рассмотрим другой способ, основанный на обобщении теории наибольших касательных напряжений. В соответствии с этой теорией условие прочности имеет вид (10.19). Перепишем это уравнение следующим образом:

Уравнение (10.24) в графическом смысле представляет собой прямую линию, где
;
; при; при
.

. (10.25)

Вид этой прямой приведен на рис.10.6,а.

Любая точка, принадлежащая плоскости
, например, точка А, отвечает определенному напряженному состоянию. Прямая (10.25) делит эту плоскость на три зоны: зона предельных напряженных состояний – точки этой зоны лежат на предельной прямой линии (10.25); зона безопасных напряженных состяний точки этой зоны лежат выше и левее предельной прямой (внутренняя область); зона опасных напряженных состояний – точки этой зоны лежат правее и ниже предельной прямой (внешняя область). В точках этой области гарантировать прочность нельзя.

Таким образом, приведенный на рис.10.6,а график дает возможность оценить с помощью третьей теории прочность элемента по местонахождению точки, определяющей данное напряженное состояние (
).

Используя аналогию, рассмотрим случай, когда
. В этом случае точки предельной прямой, принадлежащие осям координат определяют следующие напряженные состояния:
;
.

Вид предельной прямой для этого случая приведен на рис.10.6,б. Опишем эту прямую.

Уравнение прямой в отрезках имеет вид:

. (10.26)

Здесь: ;;;.

Введем коэффициент
, подставим в уравнение (10.26) и преобразуем его к виду:

. (10.27)

Уравнение (10.27) является уравнением предельной прямой. Левая часть этого уравнения представляет собой эквивалентные напряжения для рассматриваемого напряженного состояния. Вводя знак неравенства в уравнение предельной прямой (10.27), получаем теорию прочности Мора:

. (10.28)

Неравенство (10.28) описывает внутреннюю область безопасных напряжений (Рис.10.6,б).

Теория прочности Мора является обобщением теории наибольших касательных напряжений и будет ей идентичной при равенстве допускаемых напряжений
. В этом случае коэффициент
.

Пятая теория (теория прочности Мора) прочности хорошо подтверждается опытом для большинства строительных материалов (камень, дерево, пластмассы), т.е. для тех материалов, которые не укладываются в сформулированные ранее классические теории прочности.

Подводя итог рассмотрению классических теорий прочности, можно написать условие прочности при объемном напряженном состоянии в таком виде:

, (10.29)

где
эквивалентное (расчетное) напряжение;
допускаемое напряжение при простом растяжении и сжатии. Расчетное напряженное состояние
может быть истолковано как растягивающее напряжение при линейном напряженном состоянии, эквивалентном рассматриваемому сложному напряженному состоянию в отношении опасности для прочности материала.

Выбор теории прочности, а значит и формулы для
, таким образом, отвечает на вопрос: какой критерий прочности материала столь же надежен для рассматриваемого объемного напряженного состояния, как и для линейного?

Что касается практического применения теорий прочности, то здесь следует иметь ввиду, что любой материал в зависимости от условий работы и вида напряженного состояния может находиться и в хрупком и в пластичном состоянии. В связи с этим следует выделить те теории прочности, пригодные для проверки прочности материала при его пластическом состоянии, и те, которые следует применять для проверки прочности материалов в хрупком состоянии. Эксперименты показывают, что для пластичного состояния матерала наиболее достоверной является энергетическая теория прочности. Незначительно расходится с опытами для пластичных материалов теория наибольших касательных напряжений.

Что касается хрупкого состояния материалов, то для оценки прочности в этом случае иногда используется вторая теория прочности теория наибольших линейных деформаций; имеются опыты, которые показывают, что в ряде случаев подтверждается для такого состояния материала и теория наибольших нормальных напряжений; ею пользуются на практике для проверки прочности таких материалов как камень, чугун и т.д.

Кроме классичесих теорий прочности, рассмотренных в данной теме, существует еще несколько десятков так называемых “новых”теорий, предлагающих новые подходы к оценке прочности конструкционных материалов. В рамках настоящего пособия эти теории не приводятся. Тех, кого эта проблема интересует, может обратиться к специальной литературе учебного или справочного характера, часть из которой приводится в конце пособия.

Все приведенные выше теории прочности были записаны через главные напряжения. В практике мы часто имеем дело не с главными напряжениями. В связи с этим при практических расчетах удобно иметь формулы для эквивалентных напряжений для различных теорий прочности, выраженные через нормальные и касательные напряжения, действующие в произвольных площадках.

Рассмотрим несколько частных случаев плоского напряженного состояния и запишем для этих случаев условия прочности в соответствии с различными теориями.

Одним из таких частных видов напряженного состояния приведен на рис.10.7. Этот вид напряженного состояния часто встречается в расчетной практике при плоском поперечном изгибе, некоторых видах сложного сопротивления и т.д.

При записи эквивалентных напряжений для приведенного на рис.10.7 частного вида напряженного состояния примем во внимание, что

. (10.30)

Подставляя (10.30) в выражение (10.17), условие прочности в соответствии с первой теорией прочности получим в виде:

. (10.31)

Для второй теории выражение для условия прочности после подстановки (10.30) в (10.18) принимает вид:

Для третьей теории условие прочности после подстановки (10.30) в (10.19) запишется так:

. (10.33)

По четвертой теории условие прочности после подстаноки (10.30) в (10.23) и некоторых преобразований будет иметь вид:

. (10.34)

Как уже отмечалось выше, для оценки прочности пластичных материалов используют как теорию наибольших касательных напряжений, так и энергетическую теорию прочности. Выясним на примере рассматриваемого выше частного случая напряженного состояния, каково расхождение между этими теориями прочности. Для этого, используя выражения (10.33) и (10.34), вычислим значения эквивалентных напряжений при различных исходных значениях и.

Пусть
. Тогда
. При

;
. Сравнивая эти значения, приходим к выводу, что максимальное расхождение между третьей и четвертой теориями составляет 15%. В практических задачах при небольших значениях касательных напряжений это расхождение существенно меньше. Поэтому используют обе теории для оценки прочности материалов в пластическом состоянии.

Пример 10.1. Исследовать напряженное состяние в стенке стального сварного двутавра в месте перехода от полки к стенке (в точке А) и выполнить проверку прочности балки, используя четвертую теорию прочности. В рассматриваемом сечении балки изгибающий момент равен
кНм, поперечная сила
кН. Поперечное сечение балки приведено на рис.10.8а.

1. Найдем момент инерции двутавра относительной оси в (см 4).

см 4 .

2. Определяем нормальные напряжения в точке А:

3. Определяем касательные напряжения в точке А поперчного сечения:

4. Вычисляем эквивалентное напряжение в точке А, используя четвертую теорию прочности. Напряженное состояние в точке А – плоское (Рис.10.8,б). Для частного случая напряженного состояния, приведенного на рис.10.8,б эквивалентное напряжение по четвертой теории равно:

5. Сравниваем расчетное напряжение с допускаемым для стали
МПа, используя условие прочности (10.34). Расчетное напряжение
МПа оказалось меньше допускаемого. Следовательно, напряженное состояние в точке А поперечного сечения балки является безопасным.

Пример 10.2. Проверить прочность чугунной детали (работающей на сложное напряженное состояние), если главные напряжения в опасной точке сечения:
МПа;
;
МПа. Коэффициент Пуассона
.

Допускаемое напряжение на растяжение
МПа, допускаемое напряжение на сжатие
МПа.

1. Для проверки прочности чугуна на растяжение следует применить теорию наибольших линейных деформаций:

Полученное расчетное напряжение блитзко к допускаемому на растяжение.

2. Если бы мы воспользовались для расчета теорией наибольших касательных напряжений (неприменимой для хрупкого состояния материала), то получили бы ошибочные результаты:

В этом случае расчетное напряжение оказывается близким к разрушающему напряжению.