Pochopení Axiálního Zatížení Ve Strojírenství

Jako student nebo inženýr inženýrství víte, jak důležité je, aby konstrukce dokázaly zvládat různé druhy zatížení.

Ale přemýšleli jste někdy o jedinečných problémech, které axiální zatížení představuje? Na rozdíl od smykové síly, torzního zatížení a ohybového zatížení působí axiální zatížení silou přímo podél osy konstrukce.

To znamená, že při navrhování, stavbě a údržbě konstrukcí je třeba vzít v úvahu zcela nový soubor věcí.

V tomto článku se budu podrobně zabývat axiálním zatížením a pokryjem vše, co potřebujete vědět, abyste mohli postavit konstrukce, které zvládnou tuto důležitou sílu.

Tak se připoutejte a můžeme začít!.

Úvod do axiálního zatížení

Formální definice:

Síla, jejíž výslednice prochází těžištěm konkrétního řezu a je kolmá k rovině řezu.

Axiální zatížení je druh zatížení, které vyvíjí tlak na konstrukční prvek podél jeho osy.

Na rozdíl od smykové síly, torzního zatížení a ohybového zatížení vytváří axiální zatížení větší tlakové napětí než tahová nebo smyková síla.

Smyková síla, torzní zatížení a ohybové zatížení: Rozdíly

Smyková síla způsobuje rozložení napětí podél roviny objektu, zatímco torzní zatížení způsobuje rozložení napětí kolem podélné osy objektu.

Při ohýbání zátěže vzniká normálové napětí a příčné smykové napětí.

Normální napětí zahrnuje axiální i příčné napětí, zatímco příčné smykové napětí zahrnuje torzní i příčné smykové napětí.

Význam axiálního zatížení

Axiální zatížení je důležité, protože může změnit jak strukturu implantátu, tak i kost kolem něj.

Ve strojírenství je osové zatížení velmi důležitou součástí výroby sloupů, nosníků a vazníků.

V biomechanice může axiální zatížení změnit pohyb kostí, což může mimo jiné způsobit zlomeniny nebo kloubní náhrady.

Z tohoto důvodu je důležité ve strojírenství i medicíně porozumět tomu, jak funguje axiální zatížení.

Rozdíl mezi axiálním zatížením a příčným zatížením

Tip: Pokud potřebujete, zapněte tlačítko titulků. Pokud neznáte anglický jazyk, vyberte v tlačítku nastavení „automatický překlad“. Než bude váš oblíbený jazyk dostupný pro překlad, možná budete muset nejprve kliknout na jazyk videa.

Konstrukční prvky a axiální zatížení

Vazníky a sloupy jsou dva běžné typy konstrukčních prvků, které jsou většinou vyrobeny pro přenášení axiálního zatížení.

Vazníky: Charakteristika a použití

Příhradové nosníky jsou konstrukční prvky, které jsou vyrobeny tak, aby ve svých prvcích přenášely osové síly.

Těmito silami mohou být tah, tlak nebo reverzibilní tah/tlak v závislosti na nejhorším případu zatížení a kombinacích zatížení.

Příhradové členy spotřebují méně materiálu na podporu stejné hmotnosti.

Díky tomu jsou skvělé pro mosty nebo střechy, které musí být pevné, ale ne příliš těžké.

Ale příhradové prvky se mohou volně pohybovat a mohou přenášet zatížení pouze v jednom směru.

To znamená, že nejsou dostatečně pevné, aby udržely břemena, která se pohybují ze strany na stranu nebo se ohýbají.

Sloupce: Vlastnosti a aplikace

Sloupy jsou svislé části ocelových stavebních rámů, které drží podlahové nosníky nebo podlahy, které jsou vystaveny velkému axiálnímu tlakovému zatížení.

Většinou jsou vyrobeny tak, aby odolávaly tlakovému axiálnímu zatížení, ale v závislosti na tom, jak jsou nastaveny a jak jsou vyrobeny, mohou odolávat i ohybovým a smykovým silám.

Sloupy mohou být kulaté, čtvercové nebo obdélníkové a mohou být mimo jiné vyrobeny z betonu, oceli nebo dřeva.

Prvky rámu: Vlastnosti a použití

V závislosti na tom, jak jsou osazeny a vyrobeny, mohou nosníky a sloupy po své délce přenášet příčné i osové zatížení.

Často se používají k držení podlah, střech a stěn ve stavebních a stavebních projektech.

Na rozdíl od příhradových prvků však rámové prvky nemusí nést pouze axiální zatížení; mohou nést i příčná zatížení.

Stanovení maximálního axiálního zatížení

Při stavbě konstrukce je důležité vědět, jak velké osové zatížení určitý prvek nebo konstrukce zvládne.

Výpočet maximálního axiálního zatížení pro sloupy

Chcete-li zjistit, jak velké axiální zatížení sloup zvládne, můžete zjistit jeho KL/r a pak vyhledat hodnotu cFcr v tabulce.

Napětí v průřezu sloupu lze zjistit pomocí rovnice AP=f, kde se předpokládá, že f je v celém průřezu stejné.

Vzpěr je známý jako mezní stav porušení pro sloupy a rovnice udává kritické zatížení na vzpěr Pcr pro sloupy (3.1).

K úplnému určení kritického vzpěrného zatížení pro daný sloup však potřebujete více rovnic a metod a návrh musí brát v úvahu, jak sloup končí a jaké jsou vlastnosti materiálu.

Přibližná maximální nosnost

Udělat ocelový design a podívat se na poměr interakce je dobrý způsob, jak získat hrubou představu o největší hmotnosti, kterou může člen nést.

Interakční poměr je poměr mezi největší hmotností, kterou může člen nést, a tím, jakou hmotnost skutečně nese.

Převrácená hodnota tohoto poměru vám říká, o kolik větší váhu může každý člen nést, než se zlomí.

Je důležité si uvědomit, že tato metoda poskytuje pouze odhad.

Skutečné maximální zatížení, které prvek unese, může být nižší nebo vyšší než vypočítaná hodnota.

Navrhování pro maximální axiální zatížení

Při navrhování konstrukcí jsou prvky dimenzovány zhruba na základě architektonických výkresů a dalších relevantních dokumentů a jejich hmotnosti se vypočítávají pomocí informací z většiny předpisů a další stavební literatury.

Konstrukce však musí být postaveny tak, aby zvládly kritické zatížení, což je největší zatížení, které na ně může působit.

To se provádí sečtením všech zatížení, která by konstrukce mohla nést během své životnosti.

To zahrnuje jak zatížení pod napětím, tak i zatížení způsobené větrem, zemětřesením a další možná zatížení.

Kritické zatížení v dlouhých štíhlých sloupech

Kritické zatížení je největší axiální závaží, které sloup unese, než se začne ohýbat.

Eulerův vzorec: Výpočet kritického zatížení

K nalezení kritického zatížení lze použít Eulerův vzorec: Pcr = (2EI)/(KL)2, kde Pcr je Eulerovo kritické zatížení, E je Youngův modul pružnosti, I je minimální druhý moment plochy průřezu sloup (plochový moment setrvačnosti), K je faktor efektivní délky sloupu a L je nepodepřená délka sloupu.

Význam kritického zatížení

Kritické zatížení je důležité pro zjištění, jak dlouhé tenké sloupy reagují na axiální tlakovou sílu, protože nezávisí na pevnosti materiálu.

To znamená, že při stavbě tenkých konstrukcí, které by se mohly ohýbat, musí inženýři věnovat zvýšenou pozornost poměru štíhlosti, což je délka sloupu dělená jeho nejmenším poloměrem otáčení.

Vysoký štíhlostní poměr znamená, že malá tlaková zatížení pravděpodobněji způsobí prasknutí konstrukce.

K vybočení dochází, když se rovný sloup, který je stlačován po své délce, náhle ohne. Toto je mezní stav selhání pro sloupy.

Axiální siloměry a jejich aplikace

Siloměry, které měří sílu podél jedné osy, se nazývají axiální siloměry.

Princip činnosti axiálních siloměrů

Axiální siloměry fungují tak, že přeměňují sílu, která na ně působí, na elektrický signál, který lze číst a zapisovat.

Používají tenzometry k měření toho, jak moc axiální zatížení mění tvar něčeho.

Při působení síly na siloměr podél jeho osy se tenzometry ohýbají, čímž se mění jejich odpor.

Změna odporu je pak převedena na elektrický signál, který lze měřit.

Aplikace axiálních siloměrů

Axiálně namontované snímače zatížení se používají v mnoha oblastech, jako je letecký průmysl, automobilový průmysl a výroba.

Některé běžné způsoby použití axiálních siloměrů jsou:

• Měření síly na konstrukční části budov a mostů, jako jsou nosníky a sloupy, během jejich výstavby nebo používání.
• Testování používá, jako je zjišťování, jak velká síla je potřeba ke stlačení nebo roztažení něčeho nebo jak velká síla je potřeba k rozbití nebo deformaci něčeho.
• Sledujte věci, jako jsou hydraulické lisy, jeřáby a výtahy, abyste se ujistili, že fungují bezpečně.
• Více uvedu na konci tohoto článku.

Další aspekty axiálního zatížení

Axiální zatížení větrem

Axiální zatížení větrem je síla, kterou proudění větru působí na budovu.

V minulosti způsobily síly větru, zejména v pobřežních oblastech, pád mnoha budov.

Stavební inženýři používají ASCE 7-16 upravenou rovnici 2.2, která bere v úvahu výšku konstrukce nad úrovní terénu a jak je důležitá pro životy a majetek lidí, aby zjistili rychlost a tlak větru v různých výškách nad úrovní terénu.

Stavební inženýři používají vzorec, který bere v úvahu věci, jako je projektovaná plocha, tlak větru, koeficient odporu, koeficient expozice, faktor odezvy na poryv a faktor důležitosti, aby zjistili axiální zatížení větrem.

Jeden vzorec je F = A x P x Cd, kde F je síla nebo zatížení větrem, A je projektovaná plocha objektu, P je tlak větru a Cd je koeficient odporu vzduchu.

Síla únavy

Výpočet únavové pevnosti konstrukce při axiálním a ohybovém zatížení lze provést pomocí analytických metod založených na poměru únavových pevností pro axiální a ohybové zatížení.

U těchto metod se únavová pevnost při rotačním ohybovém zatížení mění na únavovou pevnost při axiálním zatížení.

Abychom zjistili, jak analytický model funguje, lze také provést vysokocyklové únavové testy za obou podmínek zatížení.

Modely rovinného napětí lze také použít ke zjištění, jak dlouho materiál vydrží při použití na jeho povrchu, kde je jedno z hlavních napětí obvykle nulové.

Nakonec lze křivky SN použít k nalezení maximálního dovoleného napětí při N cyklech a faktoru snížení únavové pevnosti kf.

Kuličková ložiska a maximální axiální zatížení

Radiální kuličková ložiska s držákem (nebo klecí) jsou většinou vyráběna tak, aby zvládala radiální zatížení, ale zvládnou i axiální zatížení.

Velikost axiálního zatížení, které může působit na ložisko, závisí na jeho velikosti a obvykle se udává jako procento jmenovité radiální únosnosti ložiska.

Když je rozdíl mezi průměrem díry a průměrem vnějšího kroužku velký, ložisko může přenášet axiální zatížení až do 50 % radiálního statického zatížení.

Oběžné dráhy v tenkostěnných ložiscích jsou mělčí, takže jsou méně schopné zvládat axiální zatížení.

Ložisko s kosoúhlým stykem by mělo být použito, pokud ložisko potřebuje zvládnout velké axiální zatížení.

Ta jsou zevnitř vyrobena jinak než kuličková ložiska s hlubokou drážkou, takže zvládnou vyšší axiální zatížení.

Maximální axiální zatížení pro kuličková ložiska s určitým vnitřním průměrem závisí na několika věcech, jako je velikost ložiska, hloubka oběžné dráhy ložiska a zda je či není vystaveno velkému radiálnímu nebo momentovému zatížení.

Velikost axiálního zatížení, které může působit na ložisko, se často udává jako přibližná hodnota radiálního zatížení ložiska.

SKF poskytuje minimální axiální a radiální zatížení pro jednotlivá ložiska a páry ložisek v tandemové konfiguraci nebo konfiguraci zády k sobě/čelem k sobě.

Největší tlak, který může být na kuličková ložiska kladen, závisí na tom, jak jsou vyrobena zevnitř.

Axiální zatížení v konstrukcích

Když na konstrukci působí síla přímo podél osy konstrukce, nazývá se to axiální zatížení.

Při bodovém zatížení je napětí v blízkosti bodu zatížení mnohem vyšší než průměrné napětí.

To způsobuje velmi komplikované deformace, protože stavy napětí jsou velmi komplikované.

Normální napětí a smykové napětí jsou oba způsoby měření průměrného napětí v průřezu.

Bez ohledu na to, kam podél průřezu se podíváte, velikost napětí je stejná.

Bodové zatížení je síla zvenčí, která je soustředěna na malé ploše.

Případy užití

Zde je několik způsobů, jak lze použít axiální zatížení:

Použito v:	Popis:
Návrh sloupu	Sloupy jsou skvělým příkladem konstrukčního prvku, který je vyroben pro nesení axiálních zatížení. Například v budovách nesou sloupy váhu podlah a střechy nad nimi, což vytváří tlakové axiální zatížení, kterému musí sloup odolávat. Axiální zatížení je důležitá věc, na kterou je třeba myslet při navrhování sloupů, aby se zajistilo, že se vlivem síly neohnou nebo nezlomí.
Mosty	Při navrhování mostů je také velmi důležité myslet na osové zatížení. Tlaková axiální zatížení jsou způsobena hmotností mostu a vozidel, která nese. Most musí být schopen odolat těmto zatížením. Mosty mohou být také ovlivněny věcmi, jako je vítr, zemětřesení a provoz, které mohou způsobit ohybové momenty a smykové síly. Pro vytvoření bezpečných a užitečných mostů je důležité vědět, jak se tato zatížení vzájemně ovlivňují.
Design věže	Na stožáry, jako jsou přenosové věže, stožáry s články a větrné turbíny, působí vysoká tlaková axiální zatížení. Při výrobě těchto konstrukcí musíte myslet mimo jiné na způsob jejich zatížení, materiály a výšku a šířku věží. Abyste se ujistili, že tyto konstrukce jsou bezpečné a dlouho vydrží, musíte vědět, jak je ovlivňují axiální zatížení.
Výroba a testování	Axiální zatížení je také důležitým pojmem ve výrobě a testování, kde materiály a výrobky musí být schopny odolat určitému zatížení bez porušení nebo deformace. Pomocí testovacích nástrojů, jako jsou axiální siloměry, můžete zjistit, jaké axiální zatížení může materiál nebo výrobek vydržet, než se zlomí.
Letecké aplikace	Axiální zatížení může být velmi důležité při navrhování raket, střel a dalších vozidel pro použití ve vesmíru. Axiální zatížení může být způsobeno hmotností vozidla, jeho rychlostí nebo vibracemi. Pro vytvoření bezpečných a efektivních systémů je důležité vědět, jak axiální zatížení ovlivňuje konstrukční části vozidla.

Závěr

Jak jsme viděli v tomto článku, axiální zatížení je klíčovou součástí navrhování a budování konstrukcí, které mohou odolat silám, které na ně působí.

Při práci s touto důležitou silou je třeba myslet na spoustu věcí, od pochopení jedinečných problémů dlouhých tenkých sloupů až po přidání axiálních snímačů zatížení do vaší sady nástrojů pro inženýrství.

Ale axiální zatížení je také připomínkou toho, že strojírenství je komplikovaný obor, který se neustále mění.

Jak budeme i nadále posouvat hranice toho, co je možné, budeme nevyhnutelně čelit novým problémům, které od nás budou vyžadovat kreativitu a společnou práci na řešení.

Takže až budete příště pracovat s axiálním zatížením, mějte otevřenou mysl a buďte připraveni se učit.

Kdo ví, jaké nové věci jsou za dalším rohem?