Методические указания к лабораторным работам для студентов машиностроительных специальностей Томск 2007 (стр. 1 из 9)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
часть I
Методические указания к лабораторным работам
для студентов машиностроительных специальностей
Томск 2007
УДК 539.13.6.
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Сопротивление материалов», часть I для студентов машиностроительных специальностей. – Томск: изд. ТПУ,- 2007. – 40с.
Составитель: д.т.н., проф. А.В. Анфилофьев.
Рецензент: к.т.н., доцент, Н.А. Куприянов.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры теоретической и прикладной механики 16.01.2007г.
Зав. кафедрой
Доцент, к.т.н. ___________В.М. Замятин
Одобрено учебно-методической комиссией МСФ
Председатель методической комиссии
Н.А. Куприянов
Предметный указатель
1. Введение………………………………………………………………….3
2. Требования к отчёту по лабораторной работе…………………………5
3. Лаб. работа "Распределённая и сосредоточенная нагрузка"………….5
4. Лаб. работа "Испытание на растяжение"………..………….………...10
5. Лаб. работа "Испытание на сжатие"……………..……………………21
6. Лаб. работа "Испытание на кручение"…………………..……………26
7. Лаб. работа "Испытание на изгиб". …………………………………..35
8. Таблица: механические характеристики материалов…….………….39
9. Вопросы для самопроверки……………………………..……………..40
10. Литература…………………………………………..………………….40
Введение
Сопротивление материалов есть естественное свойство всех материалов противодействовать изменению их состояния. Соответственно, все материальные тела наделены этим свойством. Изучение механических свойств твёрдых тел и целесообразное использование их в практических задачах составляют предмет "Механики деформируемых тел". Учебная общеинженерная дисциплина на базе математики, физики, теоретической механики "Сопротивление материалов" есть только начало этой обширной науки.
Сложность строгого математического описания явлений, наблюдаемых при деформировании материалов элементов конструкций, приводит к использованию модельных (упрощенных) представлений о строении материалов, их свойствах и внутренних геометрических изменениях. Эти теоретические представления образуют понятийный аппарат "Сопротивления материалов" и связанных с ним прикладных курсов.
Экспериментальную часть дисциплины составляют лабораторные работы. Назначение их - формирование реальных представлений о сопротивлении материалов в различных условиях деформирования и о достоверности соответствующих теоретических положений.
Объектом исследования в "Сопротивлении материалов" является стержень – геометрическое тело, у которого один размер (длина) много больше двух других, определяющих поперечное сечение. Стержень является расчётной схемой обширного класса элементов конструкций различного назначения. Для теоретического анализа геометрии деформирования стержня он представляется совокупностью материальных плоскостей (поперечных сечений), удерживаемых между собой силами взаимодействия материальных частиц в совокупности образующих тело.
Поперечные сечения стержня в зависимости от характера нагрузки и её ориентации к оси его сближаются, удаляются, поворачиваются относительно друг друга и первоначального положения. Изменения в положении поперечных сечений в совокупности определяют геометрическую форму деформированного стержня.
Изменение взаимного положения материальных частиц тела порождает силы сопротивления. Движение частиц прекращается, когда внутренние силы взаимодействия их уравновесят внешние силы (нагрузку). Превышение сил внутреннего сопротивления ведёт к разрушению связей между ними и, в конечном итоге, к разрушению тела.
 |
Изменения положения материальных частиц количественно оценивается "деформациями" (линейными и угловыми), а соответствующие силы сопротивления "напряжениями" (нормальными и касательными). Связи между ними подчиняются физическим законам. При малых геометрических изменениях форм и размеров эти связи практически линейные и выражаются законом Гука.
Изменение положения поперечных сечений стержня характеризуются "перемещениями" (линейными и угловыми), а суммарное (интегральное) значение сил сопротивления всех материальных точек в сечении "внутренними силовыми факторами".
Основные механические свойства материала:
упругость - способность деформироваться (получать геометрические искажения, наблюдаемые по изменению положения материальных точек и перемещениям сечений) и восстанавливать первоначальное состояние после разгрузки,
пластичность (деформируемость) - способность до разрушения существенно деформироваться и сохранять полученные изменения (остаточные) после разгрузки. (хрупкость – свойство противоположное пластичности),
прочность - способность сопротивляться разрушению связей между материальными частицами.
Количественно эти свойства определяются соответствующими характеристиками, которые можно получить только экспериментальным путем.
Условия испытаний (скорость приложения нагрузки, температура) оказывают весьма существенное влияние на их значения.
Лабораторные испытания производится в, так называемых, нормальных условиях: с небольшими скоростями изменения нагрузки (статическое нагружение) при температуре примерно 20С0 .
Диапазоны температур и скорости изменения нагрузок, при которых реально работают материалы, могут существенно отличаться от нормальных условий и учет их влияния на механические свойства производится соответствующими испытаниями. Скорость изменения нагрузок и температура настолько меняют свойства материалов, что один и тот же материал может оказаться хрупким в одних условиях и пластичным в других.
Испытание материалов в условиях длительного действия переменных нагрузок и напряжений для определения выносливости выявляет в них свойство усталости, при повышенных температурах свойства ползучести, релаксации.
Лабораторные работы проводятся коллективно под руководством преподавателя. Отчёты выполняются индивидуально и подлежат защите.
Требования к оформлению и содержанию отчёта
Титульный лист: название института, кафедра, лабораторная работа, автор отчёта (Ф.И.О., номер группы), преподаватель (Ф.И.О.), город, год.
Содержание отчёта:
Цель.
I. Tеория (краткое изложение теоретических представлений).
II. Эксперимент.
1. Оборудование.
2. Эскиз образца до и после испытания (в работах по определению механических характеристик материалов).
3. Схема эксперимента.
4. Таблицы наблюдений.
5. Обработка экспериментальных данных.
6. Результаты.
7. Выводы.
В тексте отчёта не допускаются сокращения слов и аббревиатуры, кроме общепринятых.
Лабораторная работа № 1
СОСРЕДОТОЧЕННАЯ И РАСПРЕДЕЛЁННАЯ НАГРУЗКА
Цель: Определить количественно понятие "сосредоточенная сила" для деформируемого тела.
I. Теория.
В механике, по определению, сила есть количественная мера взаимодействия тел. В любой конструкции взаимодействие образующих её элементов (деталей) осуществляется посредством контактов по поверхностям, которые могут иметь различные размеры.
Понятие "сосредоточенная сила" предполагает, что взаимодействие происходит в точке или по линии, то есть по поверхности с площадью равной нулю. Это предположение имеет смысл, если взаимодействующие тела являются "абсолютно" твёрдыми. Для них распределённые по поверхности силы можно определить равнодействующей силой сосредоточенной в одной точке (рис.1.1). Именно таким образом представляются силы в "Теоретической механике", где изучается движение тел и условия их равновесия, когда изменение форм и размеров тел является несущественным.
В "Сопротивлении материалов" изучается деформирование тел, использование в нём понятия "сосредоточенная сила" требует уточнения.
Действительно, равнодействующая сила
на площади контакта 
создаёт среднее давление 
.Для точечного контакта
необходимо допустить существование давления 
и способность материала сопротивляться ему. Сопротивление реальных тел не бесконечно, в контакте их может произойти смятие или разрушение материалов. Любой точечный контакт превращается в поверхность конечных размеров.  |
Очевидно, упрощенное представление распределённых сил их равнодействующей сосредоточенной силой можно применять в тех случаях, когда размеры контактирующей поверхности много меньше размеров деформируемых тел. Тем не менее, для определения сопротивления материала в зоне контакта и вблизи его это представление является недопустимым.
Понятие "сосредоточенная сила" используется в расчётных схемах (упрощенное представление деформируемых конструкций), когда действие реальных распределённых сил можно считать эквивалентным действию их равнодействующей сосредоточенной силой (рис.1.2).