Teljekoormuse Mõistmine Inseneriteaduses

Inseneriüliõpilasena või insenerina teate, kui oluline on, et konstruktsioonid suudaksid taluda erinevat laadi koormusi.

Kuid kas olete kunagi mõelnud aksiaalkoormusega kaasnevatele ainulaadsetele probleemidele? Erinevalt nihkejõust, väändekoormusest ja paindekoormusest rakendab telgkoormus jõudu otse piki konstruktsiooni telge.

See tähendab, et konstruktsioonide projekteerimisel, ehitamisel ja hooldamisel tuleb arvestada täiesti uute asjadega.

Selles artiklis käsitlen üksikasjalikult aksiaalset koormust ja katan kõike, mida peate teadma selle olulise jõuga toimetulevate konstruktsioonide ehitamiseks.

Nii et pange kinni ja alustame!.

Sissejuhatus aksiaalkoormusesse

Ametlik määratlus:

Jõud, mille resultant läbib konkreetse lõigu tsentroidi ja on risti lõigu tasapinnaga.

Aksiaalkoormus on teatud tüüpi koormus, mis avaldab survet konstruktsioonielemendile piki selle telge.

Erinevalt nihkejõust, väändekoormusest ja paindekoormusest tekitab aksiaalne koormus rohkem survepinget kui tõmbe- või nihkejõud.

Nihkejõud, väändekoormus ja paindekoormus: erinevused

Nihkejõud põhjustab pinge levimist piki objekti tasapinda, väändekoormus aga põhjustab pinge levimist ümber objekti pikitelje.

Kui koormus on painutatud, tekitab see normaalse pinge ja põikisuunalise nihkepinge.

Tavaline pinge hõlmab nii aksiaalset kui ka põikpinget, samas kui põikisuunaline nihkepinge hõlmab nii väände- kui ka põikisuunalist nihkepinget.

Aksiaalkoormuse tähtsus

Aksiaalsed koormused on olulised, kuna need võivad muuta nii implantaadi kui ka seda ümbritseva luu struktuuri.

Inseneritöös on aksiaalkoormus sammaste, talade ja sõrestike valmistamisel väga oluline osa.

Biomehaanikas võivad aksiaalsed koormused muuta luude liikumist, mis võib muu hulgas põhjustada luumurde või liigeste asendamist.

Seetõttu on nii inseneriteaduses kui ka meditsiinis oluline mõista, kuidas aksiaalkoormus töötab.

Erinevus aksiaalse ja põiksuunalise koormuse vahel

Nõuanne. Lülitage subtiitrite nupp sisse, kui seda vajate. Kui te ei tunne inglise keelt, valige seadete nupust "automaattõlge". Võimalik, et peate esmalt klõpsama video keelel, enne kui teie lemmikkeel muutub tõlkimiseks kättesaadavaks.

Konstruktsioonielemendid ja telgkoormused

Sõrestikud ja sambad on kaks levinumat tüüpi konstruktsioonielemente, mis on enamasti valmistatud aksiaalsete koormuste kandmiseks.

Sõrestikud: omadused ja rakendused

Sõrestikud on konstruktsioonielemendid, mis on valmistatud kandma oma elementides aksiaalseid jõude.

Need jõud võivad olla tõmbe-, surve- või pööratavad pinge/survejõud, olenevalt halvimatest koormustest ja koormuse kombinatsioonidest.

Sõrestiku osad kasutavad sama raskuse kandmiseks vähem materjali.

See muudab need suurepäraseks sildade või katuste jaoks, mis peavad olema tugevad, kuid mitte liiga rasked.

Kuid sõrestikuelemendid võivad vabalt liikuda ja kanda koormaid ainult ühes suunas.

See tähendab, et need ei ole piisavalt tugevad, et vastu pidada koormustele, mis liiguvad küljelt küljele või painduvad.

Veerud: omadused ja rakendused

Sambad on terasest hoonekarkasside vertikaalsed osad, mis hoiavad püsti põrandatalasid või põrandaid, mis on allutatud tugevale aksiaalsele survekoormusele.

Enamasti on need valmistatud nii, et need peavad vastu survetele aksiaalsetele koormustele, kuid olenevalt nende seadistamisest ja valmistamisest võivad nad vastu pidada ka painde- ja nihkejõududele.

Veerud võivad olla ümmargused, ruudukujulised või ristkülikukujulised ning need võivad olla muu hulgas valmistatud betoonist, terasest või puidust.

Raami liikmed: omadused ja rakendused

Olenevalt nende ülespanekust ja valmistamisest võivad talad ja sambad kanda nii rist- kui ka aksiaalseid koormusi kogu pikkuses.

Neid kasutatakse sageli põrandate, katuste ja seinte hoidmiseks ehitus- ja ehitusprojektides.

Kuid erinevalt sõrestikudetailidest ei pea raami osad kandma ainult aksiaalseid koormusi; need võivad toetada ka põikkoormust.

Maksimaalse aksiaalkoormuse määramine

Konstruktsiooni ehitamisel on oluline teada, kui suurt teljesuunalist koormust teatud element või konstruktsioon talub.

Veergude maksimaalse aksiaalkoormuse arvutamine

Et teada saada, kui suurt aksiaalset koormust veerg talub, saate välja selgitada selle KL/r ja seejärel otsida tabelist cFcr väärtust.

Pinge samba ristlõikes saab leida võrrandi AP=f abil, kus eeldatakse, et f on kogu ristlõikes ühesugune.

Kummutus on teadaolevalt sammaste rikete piirseisund ja võrrand annab sammaste kriitilise paindekoormuse Pcr (3.1).

Kuid antud veeru kriitilise paindekoormuse täielikuks väljaselgitamiseks vajate rohkem võrrandeid ja meetodeid ning projekteerimisel tuleb arvestada kolonni lõppu ja materjali omadusi.

Ligikaudne maksimaalne kandevõime

Terasest kujunduse tegemine ja interaktsioonisuhte vaatamine on hea viis saada ligikaudne ettekujutus suurimast kaalust, mida liige suudab kanda.

Interaktsioonisuhe on suhe suurima raskuse vahel, mida liige suudab kanda, ja selle vahel, kui palju raskust see tegelikult kannab.

Selle suhte pöördväärtus näitab, kui palju rohkem raskust iga liige suudab kanda, enne kui see puruneb.

Oluline on meeles pidada, et see meetod annab ainult hinnangu.

Tegelik maksimaalne koormus, mida liige võib kanda, võib olla väiksem või suurem kui arvutatud väärtus.

Maksimaalse aksiaalkoormuse jaoks projekteerimine

Konstruktsioonide projekteerimisel määratakse elementide suurus umbkaudu arhitektuursete jooniste ja muude asjakohaste dokumentide põhjal ning nende kaalud arvutatakse välja enamiku koodide ja muu tsiviilehituse kirjanduse teabe põhjal.

Kuid konstruktsioonid peavad olema ehitatud nii, et need taluksid kriitilist koormust, mis on suurim koormus, mis neile mõjuda võib.

Selleks liidetakse kokku kõik koormused, mida konstruktsioon võiks oma eluea jooksul kanda.

See hõlmab nii pinge- kui ka surnud koormusi, samuti tuulest, maavärinatest ja muudest võimalikest koormustest põhjustatud koormusi.

Kriitiline koormus pikkades õhukestes veergudes

Kriitiline koormus on suurim aksiaalne kaal, mida kolonn suudab hoida, enne kui see hakkab painduma.

Euleri valem: kriitilise koormuse arvutamine

Kriitilise koormuse leidmiseks saab kasutada Euleri valemit: Pcr = (2EI)/(KL)2, kus Pcr on Euleri kriitiline koormus, E on Youngi elastsusmoodul, I on ristlõike pindala minimaalne teine ​​moment. Sammas (pindala inertsimoment), K on veeru efektiivse pikkuse tegur ja L on veeru toetamata pikkus.

Kriitilise koormuse tähtsus

Kriitiline koormus on oluline selleks, et välja selgitada, kui pikad õhukesed sambad aksiaalsele survejõule reageerivad, kuna see ei sõltu materjali tugevusest.

See tähendab, et õhukeste konstruktsioonide ehitamisel, mis võivad painduda, peavad insenerid pöörama erilist tähelepanu sihvakuse suhtele, mis on samba pikkus jagatud selle väikseima pöörlemisraadiusega.

Kõrge sihvakuse suhe tähendab, et väikesed survekoormused põhjustavad tõenäolisemalt konstruktsiooni purunemist.

Kummardus tekib siis, kui sirge sammas, mida kogu pikkuses kokku surutakse, järsult paindub. See on veergude rikkepiirangu olek.

Aksiaalsed koormusandurid ja nende rakendused

Koormusandurid, mis mõõdavad jõudu piki ühte telge, nimetatakse aksiaalseteks koormusanduriteks.

Aksiaalsete koormusandurite tööpõhimõte

Aksiaalsed koormusandurid töötavad, muutes neile rakendatava jõu elektrisignaaliks, mida saab lugeda ja üles kirjutada.

Nad kasutavad deformatsioonimõõtureid, et mõõta, kui palju aksiaalne koormus muudab millegi kuju.

Kui koormusandurile rakendatakse jõudu piki selle telge, painduvad tensoandurid, mis muudab nende takistust.

Seejärel muudetakse takistuse muutus elektriliseks signaaliks, mida saab mõõta.

Aksiaalsete koormusandurite rakendused

Aksiaalselt paigaldatud koormusandureid kasutatakse paljudes valdkondades, nagu lennundus, autotööstus ja tootmine.

Mõned levinumad aksiaalsete koormusandurite kasutamise viisid on järgmised:

• Jõu mõõtmine ehitiste ja sildade konstruktsiooniosadele, nagu talad ja sambad, nende ehitamise või kasutamise ajal.
• Testimine kasutab näiteks selle väljaselgitamist, kui palju jõudu on vaja millegi pigistamiseks või venitamiseks või kui palju jõudu on vaja millegi purustamiseks või deformeerimiseks.
• Hoides silma peal sellistel asjadel nagu hüdraulilised pressid, kraanad ja tõstukid, et olla kindel, et need töötavad ohutult.
• Loen rohkem selle artikli allosas.

Aksiaalkoormuse muud aspektid

Aksiaalne tuulekoormus

Aksiaalne tuulekoormus on jõud, mis tuulevoolul hoonele mõjub.

Varem on tuulejõud, eriti rannikualadel, põhjustanud paljude hoonete kukkumise.

Ehitusinsenerid kasutavad ASCE 7-16 modifitseeritud võrrandit 2.2, mis võtab arvesse konstruktsiooni kõrgust maapinnast ning selle tähtsust inimeste elule ja varale, et selgitada välja tuule kiirus ja rõhk erinevatel kõrgustel maapinnast.

Ehitusinsenerid kasutavad aksiaalse tuulekoormuse väljaselgitamiseks valemit, mis võtab arvesse selliseid asju nagu prognoositav pindala, tuule rõhk, takistustegur, kokkupuute koefitsient, puhangureaktsiooni tegur ja tähtsustegur.

Üks valem on F = A x P x Cd, kus F on jõud või tuulekoormus, A on objekti projekteeritud pindala, P on tuule rõhk ja Cd on takistustegur.

Väsimus Tugevus

Konstruktsiooni väsimustugevuse arvutamiseks telg- ja paindekoormusel saab kasutada analüütilisi meetodeid, mis põhinevad aksiaal- ja paindekoormuse väsimustugevuste suhtel.

Nende meetodite puhul muudetakse väsimustugevus pöördpaindekoormusel väsimustugevuseks aksiaalkoormusel.

Et teada saada, kuidas analüütiline mudel töötab, saab mõlemal koormustingimusel teha ka suure tsükliga väsimusteste.

Samuti saab tasapinnaliste pingemudelite abil välja selgitada, kui kaua materjal vastu peab, kui seda kasutatakse selle pinnal, kus üks põhipingetest on tavaliselt null.

Lõpuks saab SN-kõveraid kasutada maksimaalse lubatud pinge N tsükli juures ja väsimustugevuse vähendamise teguri kf leidmiseks.

Kuullaagrid ja maksimaalne aksiaalkoormus

Fiksaatoriga (või puuriga) radiaalkuullaagrid on enamasti valmistatud radiaalkoormuste talumiseks, kuid taluvad ka aksiaalseid koormusi.

Laagrile rakendatav aksiaalkoormuse suurus sõltub laagri suurusest ja esitatakse tavaliselt protsendina laagri radiaalkoormusest.

Kui ava läbimõõdu ja välisrõnga läbimõõdu vahe on suur, võib laager võtta aksiaalseid koormusi, mis on kuni 50% radiaalsest staatilisest koormusest.

Õhukese ristlõikega laagrite jooksurajad on madalamad, mistõttu need ei talu aksiaalseid koormusi.

Kui laager peab taluma suurt aksiaalset koormust, tuleks kasutada nurkkontaktlaagrit.

Need on valmistatud seest erinevalt kui sügava soonega kuullaagrid, nii et need taluvad suuremat aksiaalkoormust.

Teatud siseläbimõõduga kuullaagrite maksimaalne aksiaalkoormus sõltub mitmest asjast, näiteks laagri suurusest, laagrite käigu sügavusest ja sellest, kas sellele avaldatakse tugevat radiaal- või momentkoormust või mitte.

Laagrile rakendatava teljesuunalise koormuse suurus on sageli antud laagri radiaalkoormuse hinnangule.

SKF pakub minimaalseid aksiaalseid ja radiaalseid koormusi üksikutele laagritele ja laagripaaridele, mis on seadistatud tandem- või selja-tagasi/nägu vastamisi konfiguratsioonides.

Kõige suurem koormus, mida kuullaagritele saab panna, sõltub sellest, kuidas need seestpoolt tehtud on.

Aksiaalne koormus konstruktsioonides

Kui konstruktsioonile rakendatakse jõudu otse piki konstruktsiooni telge, nimetatakse seda aksiaalkoormuseks.

Punktkoormuse korral on koormus laadimispunkti lähedal palju suurem kui keskmine pinge.

See põhjustab väga keerulisi deformatsioone, kuna pingeseisundid on väga keerulised.

Tavaline pinge ja nihkepinge on mõlemad viisid ristlõike keskmise pinge mõõtmiseks.

Ükskõik, kuhu ristlõiget vaatate, on pinge suurus sama.

Punktkoormus on väljastpoolt tulev jõud, mis on koondunud väikesele alale.

Kasutusjuhtumid

Siin on mõned võimalused aksiaalse koormuse kasutamiseks:

Kasutatakse:	Kirjeldus:
Kolonni kujundus	Sambad on suurepärane näide konstruktsioonielemendist, mis on valmistatud aksiaalkoormuse toetamiseks. Näiteks hoonetes toetavad sambad ülaltoodud põrandate ja katuse raskust, mis tekitab survelise teljekoormuse, millele sammas peab vastu pidama. Telgkoormus on sammaste projekteerimisel oluline asi, millele mõelda, et veenduda, et need ei paindu ega puruneks jõu mõjul.
Sillad	Sildade projekteerimisel on väga oluline mõelda ka aksiaalkoormusele. Surveteljelised koormused on põhjustatud silla ja sellel veetavate sõidukite kaalust. Sild peab neile koormustele vastu pidama. Sildu võivad mõjutada ka sellised asjad nagu tuul, maavärinad ja liiklus, mis kõik võivad põhjustada paindemomente ja nihkejõude. Ohutute ja kasulike sildade loomiseks on oluline teada, kuidas need koormused üksteisega suhtlevad.
Torni disain	Tornidele, nagu ülekandetornid, rakutornid ja tuuleturbiinid, avaldatakse suurt survet. Neid konstruktsioone tehes tuleb mõelda muu hulgas nende laadimisviisile, materjalidele ning tornide kõrgusele ja laiusele. Et need konstruktsioonid oleksid ohutud ja kestavad kaua, peate teadma, kuidas aksiaalsed koormused neid mõjutavad.
Tootmine ja katsetamine	Aksiaalkoormus on oluline mõiste ka tootmises ja katsetamises, kus materjalid ja tooted peavad suutma vastu pidada teatud koormustele ilma purunemise või deformeerumiseta. Testimistööriistadega, nagu aksiaalsed koormusandurid, saate teada, kui suure aksiaalse koormuse võib materjal või toode võtta enne, kui see puruneb.
Lennundusrakendused	Aksiaalsed koormused võivad olla väga olulised rakettide, rakettmürskude ja muude kosmoses kasutatavate sõidukite kavandamisel. Telgkoormust võivad põhjustada sõiduki kaal, kiirus või vibratsioon. Ohutute ja tõhusate süsteemide loomiseks on oluline teada, kuidas aksiaalsed koormused mõjutavad sõiduki konstruktsiooniosi.

Järeldus

Nagu sellest artiklist nägime, on aksiaalkoormus konstruktsioonide projekteerimisel ja ehitamisel oluline osa, mis talub neile mõjuvaid jõude.

Selle olulise jõuga töötades tuleb mõelda paljudele asjadele, alates pikkade õhukeste sammaste ainulaadsete väljakutsete mõistmisest kuni aksiaalsete koormuselementide lisamiseni oma inseneritööriistadesse.

Kuid aksiaalkoormus tuletab ka meelde, et inseneritöö on keeruline valdkond, mis alati muutub.

Kui jätkame võimaliku piiride nihutamist, seisame paratamatult silmitsi uute probleemidega, mille lahendamiseks tuleb meilt loovalt mõelda ja koostööd teha.

Seega, järgmine kord, kui töötate aksiaalkoormusega, hoidke avatud meelt ja olge valmis õppima.

Kes teab, mis uut on järgmise nurga taga?