Разбиране На Аксиалното Натоварване В Инженерството

Като студент по инженерство или инженер знаете колко е важно конструкциите да могат да се справят с различни видове товари.

Но мислили ли сте някога за уникалните проблеми, които представлява аксиалното натоварване? За разлика от силата на срязване, натоварването на усукване и натоварването на огъване, аксиалното натоварване прилага сила директно по протежение на оста на конструкцията.

Това означава, че когато се проектират, изграждат и поддържат структури, трябва да се вземат под внимание изцяло нови неща.

В тази статия ще разгледам подробно аксиалното натоварване и ще покрия всичко, което трябва да знаете, за да изградите конструкции, които могат да се справят с тази важна сила.

Така че закопчайте коланите и нека да започнем!.

Въведение в аксиалното натоварване

Официална дефиниция:

Сила, чийто резултат преминава през центроида на конкретно сечение и е перпендикулярен на равнината на сечението.

Аксиалното натоварване е вид натоварване, което оказва натиск върху структурен елемент по протежение на неговата ос.

За разлика от силата на срязване, натоварването на усукване и натоварването на огъване, аксиалното натоварване създава повече натиск, отколкото силата на опън или срязване.

Сила на срязване, натоварване на усукване и натоварване на огъване: разлики

Силата на срязване причинява напрежението да се разпространява по равнината на обекта, докато торсионното натоварване причинява напрежението да се разпространява около надлъжната ос на обекта.

Когато товарът е огънат, той създава нормално напрежение и напречно напрежение на срязване.

Нормалното напрежение включва както аксиално, така и напречно напрежение, докато напречното напрежение на срязване включва както усукване, така и напречно напрежение на срязване.

Значение на аксиалното натоварване

Аксиалните натоварвания са важни, защото могат да променят както структурата на импланта, така и костта около него.

В инженерството аксиалното натоварване е много важна част от това как се правят колони, греди и ферми.

В биомеханиката аксиалните натоварвания могат да променят начина, по който се движат костите, което може да причини фрактури или смяна на стави, наред с други наранявания.

Поради това е важно както в инженерството, така и в медицината да се разбере как работи аксиалното натоварване.

Разлика между аксиално натоварване и напречно натоварване

Съвет: Включете бутона за надписи, ако имате нужда от него. Изберете „автоматичен превод“ в бутона за настройки, ако не сте запознати с английския език. Може да се наложи първо да щракнете върху езика на видеоклипа, преди любимият ви език да стане достъпен за превод.

Конструктивни елементи и аксиални натоварвания

Фермите и колоните са два често срещани вида структурни елементи, които са направени най-вече да носят аксиални натоварвания.

Ферми: Характеристики и приложения

Фермите са структурни елементи, които са направени да носят аксиални сили в своите елементи.

Тези сили могат да бъдат опън, компресия или обратимо опън/компресия, в зависимост от най-лошите натоварвания и комбинации от товари.

Елементите на фермата използват по-малко материал, за да поддържат същото тегло.

Това ги прави чудесни за мостове или покриви, които трябва да са здрави, но не прекалено тежки.

Но елементите на фермата са свободни да се движат и могат да носят товари само в една посока.

Това означава, че те не са достатъчно здрави, за да издържат на товари, които се движат настрани или се огъват.

Колони: Характеристики и приложения

Колоните са вертикални части на стоманени строителни рамки, които държат подови греди или подове, които са подложени на големи аксиални натоварвания на натиск.

Те са направени най-вече да издържат на аксиални натоварвания на натиск, но в зависимост от това как са настроени и как са направени, те също могат да издържат на огъване и сили на срязване.

Колоните могат да бъдат кръгли, квадратни или правоъгълни и могат да бъдат направени от бетон, стомана или дърво, наред с други неща.

Елементи на рамката: характеристики и приложения

В зависимост от това как са настроени и изработени, гредите и колоните могат да понасят както напречни, така и аксиални натоварвания по дължината си.

Те често се използват за поддържане на подове, покриви и стени в строителни и строителни проекти.

Но за разлика от елементите на фермата, елементите на рамката не трябва да поддържат само аксиални натоварвания; те могат да издържат и напречни натоварвания.

Определяне на максимално аксиално натоварване

При изграждането на конструкция е важно да знаете колко аксиално натоварване може да поеме определен елемент или конструкция.

Изчисляване на максимално аксиално натоварване за колони

За да разберете колко аксиално натоварване може да издържи една колона, можете да разберете нейния KL/r и след това да потърсите стойността на cFcr в таблица.

Напрежението в напречното сечение на колоната може да се намери с помощта на уравнението AP=f, където f се приема, че е еднакво по цялото напречно сечение.

Известно е, че изкълчването е гранично състояние на повреда за колоните и уравнението дава критичното натоварване на изкълчване Pcr за колоните (3.1).

Но за да разберете напълно критичното натоварване на изкълчване за дадена колона, имате нужда от повече уравнения и методи, а дизайнът трябва да вземе предвид как завършва колоната и свойствата на материала.

Приближаване на максималната товароподемност

Извършването на стоманен дизайн и разглеждането на съотношението на взаимодействие е добър начин да получите груба представа за най-голямата тежест, която може да носи един член.

Коефициентът на взаимодействие е съотношението между най-голямата тежест, която един член може да носи, и колко тежест действително носи.

Реципрочната стойност на това съотношение ви казва колко повече тежест може да носи всеки член, преди да се счупи.

Важно е да запомните, че този метод дава само приблизителна оценка.

Действителният максимален товар, който даден елемент може да носи, може да бъде по-нисък или по-висок от изчислената стойност.

Проектиране за максимално аксиално натоварване

При проектирането на конструкции, елементите се оразмеряват грубо въз основа на архитектурни чертежи и други подходящи документи, а теглата им се определят с помощта на информация от повечето кодекси и друга строителна литература.

Но трябва да се изградят структури, за да се справят с критичното натоварване, което е най-голямото натоварване, което може да въздейства върху тях.

Това се прави чрез сумиране на всички натоварвания, които една конструкция може да понесе през целия си живот.

Това включва както активни, така и мъртви товари, както и товари, причинени от вятър, земетресения и други възможни товари.

Критично натоварване в дълги тънки колони

Критичното натоварване е най-голямото аксиално тегло, което една колона може да издържи, преди да започне да се огъва.

Формула на Ойлер: Изчисляване на критичното натоварване

Формулата на Ойлер може да се използва за намиране на критичното натоварване: Pcr = (2EI)/(KL)2, където Pcr е критичното натоварване на Ойлер, E е модулът на еластичност на Юнг, I е минималният втори момент от площта на напречното сечение на колоната (площен инерционен момент), K е коефициентът на ефективна дължина на колоната и L е неподдържаната дължина на колоната.

Значение на критичното натоварване

Критичното натоварване е важно, за да се разбере колко дълги, тънки колони реагират на аксиална сила на натиск, тъй като не зависи от това колко здрав е материалът.

Това означава, че когато изграждат тънки конструкции, които могат да се огънат, инженерите трябва да обърнат допълнително внимание на съотношението на тънкост, което е дължината на колоната, разделена на нейния най-малък радиус на въртене.

Високият коефициент на тънкост означава, че малките натоварвания на компресия са по-склонни да причинят счупване на конструкцията.

Изкривяване се случва, когато права колона, която е компресирана по дължината си, внезапно се огъне. Това е гранично състояние на повреда за колони.

Клетки за аксиално натоварване и техните приложения

Датчиците за натоварване, които измерват силата по една ос, се наричат ​​клетки за аксиално натоварване.

Принцип на работа на аксиалните динамометрични клетки

Клетките за аксиално натоварване работят, като превръщат силата, която е приложена към тях, в електрически сигнал, който може да бъде прочетен и записан.

Те използват тензодатчици, за да измерят колко аксиално натоварване променя формата на нещо.

Когато се приложи сила върху тензодатчика по оста му, тензодатчиците се огъват, което променя тяхното съпротивление.

След това промяната в съпротивлението се превръща в електрически сигнал, който може да бъде измерен.

Приложения на аксиални динамометрични клетки

Аксиално монтираните динамометрични клетки се използват в много области, като космическата промишленост, автомобилостроенето и производството.

Някои често срещани начини за използване на клетките за аксиално натоварване са:

• Измерване на силата върху структурни части на сгради и мостове, като греди и колони, докато се строят или използват.
• Тестването използва, като например да разберете колко сила е необходима, за да стиснете или разтегнете нещо, или колко сила е необходима, за да счупите или деформирате нещо.
• Следете неща като хидравлични преси, кранове и асансьори, за да сте сигурни, че работят безопасно.
• Ще изброя повече в долната част на тази статия.

Други аспекти на аксиалното натоварване

Аксиално натоварване от вятър

Аксиалното натоварване от вятъра е силата, която вятърът оказва върху сградата.

В миналото силите на вятъра, особено в крайбрежните райони, са причинили падането на много сгради.

Строителните инженери използват модифицирано уравнение 2.2 на ASCE 7-16, което взема предвид височината на конструкцията над нивото на земята и колко важно е тя за живота и имуществото на хората, за да разберат скоростта и налягането на вятъра на различни височини над нивото на земята.

Строителните инженери използват формула, която взема предвид неща като проектираната площ, налягане на вятъра, коефициент на съпротивление, коефициент на експозиция, коефициент на реагиране при пориви и фактор на важност, за да разберат аксиалното натоварване от вятъра.

Една формула е F = A x P x Cd, където F е силата или натоварването от вятъра, A е проектираната площ на обекта, P е налягането на вятъра и Cd е коефициентът на съпротивление.

Сила на умора

Изчисляването на якостта на умора на конструкцията при аксиално и огъващо натоварване може да се извърши с помощта на аналитични методи, базирани на съотношението на якостта на умора за аксиално и огъващо натоварване.

При тези методи якостта на умора при ротационно натоварване на огъване се променя в якостта на умора при аксиално натоварване.

За да разберете как работи един аналитичен модел, тестове за умора с висок цикъл могат да се направят и при двете условия на натоварване.

Също така, модели на равнинни напрежения могат да се използват, за да се определи колко дълго ще издържи даден материал, когато се използва върху неговата повърхност, където едно от основните напрежения обикновено е нула.

И накрая, SN кривите могат да се използват за намиране на максимално допустимото напрежение при N цикъла и коефициента на намаляване на якостта на умора kf.

Сачмени лагери и максимално аксиално натоварване

Радиалните сачмени лагери с фиксатор (или клетка) са направени най-вече да понасят радиални натоварвания, но могат да поемат и аксиални натоварвания.

Размерът на аксиалното натоварване, което може да бъде поставено върху лагер, зависи от неговия размер и обикновено се дава като процент от номиналното радиално натоварване на лагера.

Когато разликата между диаметъра на отвора и диаметъра на външния пръстен е голяма, лагерът може да поеме аксиални натоварвания, които са до 50% от радиалното статично натоварване.

Пътеките за търкаляне в лагерите с тънък профил са по-плитки, което ги прави по-малко способни да се справят с аксиални натоварвания.

Трябва да се използва лагер с ъглов контакт, ако лагерът трябва да издържи голямо аксиално натоварване.

Те са изработени по различен начин от вътрешната страна от сачмените лагери с дълбок канал, така че могат да издържат на по-големи аксиални натоварвания.

Максималното аксиално натоварване за сачмени лагери с определен вътрешен диаметър зависи от няколко неща, като например размера на лагера, дълбочината на каналите на лагера и дали е подложен или не на големи радиални или моментни натоварвания.

Размерът на аксиалното натоварване, което може да бъде поставено върху лагер, често се дава като приблизителна оценка на номиналното радиално натоварване на лагера.

SKF осигурява минимални аксиални и радиални натоварвания за единични лагери и двойки лагери, монтирани в конфигурации тандем или гръб до гръб/лице в лице.

Най-голямото напрежение, което може да бъде поставено върху сачмените лагери, зависи от това как са направени отвътре.

Аксиално натоварване в конструкции

Когато върху конструкцията се прилага сила директно по протежение на оста на конструкцията, това се нарича аксиално натоварване.

Когато има точково натоварване, напрежението в близост до точката на натоварване е много по-високо от средното напрежение.

Това причинява много сложни деформации, тъй като напрегнатите състояния са много сложни.

Нормалното напрежение и напрежението на срязване са двата начина за измерване на средното напрежение върху напречно сечение.

Без значение къде по напречното сечение погледнете, количеството на напрежението е същото.

Точковото натоварване е сила отвън, която е концентрирана в малка площ.

Случаи на употреба

Ето няколко начина, по които може да се използва аксиално натоварване:

Използвано в:	Описание:
Дизайн на колона	Колоните са чудесен пример за конструктивен елемент, който е направен да поддържа аксиални натоварвания. Например в сградите колоните поддържат тежестта на подовете и покрива отгоре, което създава аксиално натоварване на натиск, на което колоната трябва да устои. Аксиалното натоварване е важно нещо, за което трябва да помислите, когато проектирате колони, за да сте сигурни, че няма да се огънат или счупят под силата.
Мостове	При проектирането на мостове, аксиалното натоварване също е много важно нещо, за което трябва да се мисли. Аксиалните натоварвания на натиск се причиняват от теглото на моста и превозните средства, които превозва. Мостът трябва да може да издържи на тези натоварвания. Мостовете също могат да бъдат повлияни от неща като вятър, земетресения и трафик, като всички те могат да причинят моменти на огъване и сили на срязване. За да направите безопасни и полезни мостове, е важно да знаете как тези товари взаимодействат един с друг.
Дизайн на кула	Високи аксиални натоварвания на натиск се прилагат върху кули като предавателни кули, клетъчни кули и вятърни турбини. Когато правите тези конструкции, трябва да помислите за начина, по който ще бъдат натоварени, материалите и височината и ширината на кулите, наред с други неща. За да сте сигурни, че тези конструкции са безопасни и издържат дълго време, трябва да знаете как аксиалните натоварвания им влияят.
Производство и тестване	Аксиалното натоварване също е важна концепция в производството и тестването, където материалите и продуктите трябва да могат да издържат на определени натоварвания, без да се счупят или деформират. С инструменти за тестване като клетки за аксиално натоварване можете да разберете колко аксиално натоварване може да понесе материал или продукт, преди да се счупи.
Аерокосмически приложения	Аксиалните натоварвания могат да бъдат много важни при проектирането на ракети, ракети и други превозни средства за използване в космоса. Аксиалните натоварвания могат да бъдат причинени от теглото на превозното средство, неговата скорост или вибрации. За да се направят безопасни и ефективни системи, е важно да се знае как аксиалните натоварвания влияят на структурните части на превозното средство.

Заключение

Както видяхме в тази статия, аксиалното натоварване е ключова част от проектирането и изграждането на конструкции, които могат да издържат на силите, които се прилагат върху тях.

Когато работите с тази важна сила, има много неща, за които да мислите, от разбирането на уникалните предизвикателства на дългите, тънки колони до добавянето на клетки за аксиално натоварване към вашия инженерен инструментариум.

Но аксиалното натоварване също напомня, че инженерството е сложна област, която винаги се променя.

Докато продължаваме да прекрачваме границите на възможното, неизбежно ще се сблъскваме с нови проблеми, които ще изискват от нас да мислим креативно и да работим заедно за решаването им.

Така че следващия път, когато работите с аксиално натоварване, бъдете отворени и бъдете готови да се учите.

Кой знае какви нови неща има зад следващия ъгъл?