Kaip inžinieriaus studentas ar inžinierius žinote, kaip svarbu, kad konstrukcijos galėtų atlaikyti įvairias apkrovas.
Bet ar kada nors pagalvojote apie unikalias ašinės apkrovos problemas? Priešingai nei šlyties jėga, sukimo apkrova ir lenkimo apkrova, ašinė apkrova taiko jėgą tiesiai išilgai konstrukcijos ašies.
Tai reiškia, kad projektuojant, statant ir prižiūrint konstrukcijas reikia atsižvelgti į visiškai naujus dalykus.
Šiame straipsnyje išsamiai papasakosiu apie ašinę apkrovą ir apžvelgsiu viską, ką reikia žinoti kuriant konstrukcijas, galinčias valdyti šią svarbią jėgą.
Taigi prisisegkite ir pradėkime!.
Įvadas į ašinę apkrovą
Oficialus apibrėžimas:
Jėga, kurios rezultatas eina per tam tikros sekcijos centroidą ir yra statmenas pjūvio plokštumai.
Ašinė apkrova yra apkrovos rūšis, kuri daro slėgį konstrukcijos elementui išilgai jos ašies.
Skirtingai nuo šlyties jėgos, sukimo apkrovos ir lenkimo apkrovos, ašinė apkrova sukuria didesnį gniuždymo įtempį nei tempimas ar šlyties jėga.
Šlyties jėga, sukimo apkrova ir lenkimo apkrova: skirtumai
Šlyties jėga sukelia įtempių pasiskirstymą išilgai objekto plokštumos, o sukimo apkrova sukelia įtempių pasiskirstymą aplink išilginę objekto ašį.
Kai apkrova sulenkiama, susidaro normalus įtempis ir skersinis šlyties įtempis.
Įprastas įtempis apima ir ašinį, ir skersinį įtempį, o skersinis šlyties įtempis apima ir sukimo, ir skersinį.
Ašinės apkrovos svarba
Ašinės apkrovos yra svarbios, nes gali pakeisti tiek implanto struktūrą, tiek aplink jį esantį kaulą.
Inžinerijoje ašinė apkrova yra labai svarbi kolonų, sijų ir santvarų gamybos dalis.
Biomechanikoje ašinės apkrovos gali pakeisti kaulų judėjimą, o tai, be kitų sužalojimų, gali sukelti lūžius ar sąnarių keitimus.
Dėl šios priežasties tiek inžinerijoje, tiek medicinoje svarbu suprasti, kaip veikia ašinė apkrova.
Skirtumas tarp ašinės ir skersinės apkrovos
Patarimas: jei reikia, įjunkite antraštės mygtuką. Jei nesate susipažinę su anglų kalba, nustatymų mygtuke pasirinkite „automatinis vertimas“. Gali tekti pirmiausia spustelėti vaizdo įrašo kalbą, kad jūsų mėgstamiausia kalba taptų prieinama versti.
Konstrukciniai elementai ir ašinės apkrovos
Santvaros ir kolonos yra du įprasti konstrukcinių elementų tipai, kurie dažniausiai yra skirti ašinėms apkrovoms.
Santvaros: charakteristikos ir pritaikymas
Santvaros yra konstrukcinės dalys, kurios yra sukurtos išlaikyti ašines jėgas savo elementuose.
Šios jėgos gali būti įtempimas, suspaudimas arba grįžtamasis įtempimas/suspaudimas, priklausomai nuo blogiausių apkrovų ir apkrovų derinių.
Santvarų dalys naudoja mažiau medžiagos, kad išlaikytų tą patį svorį.
Dėl to jie puikiai tinka tiltams ar stogams, kurie turi būti tvirti, bet ne per sunkūs.
Tačiau santvaros elementai gali laisvai judėti ir gali nešti krovinius tik viena kryptimi.
Tai reiškia, kad jie nėra pakankamai tvirti, kad atlaikytų apkrovas, kurios juda į šonus arba lenkia.
Stulpeliai: Charakteristikos ir taikymas
Kolonos yra vertikalios plieninių pastatų karkasų dalys, laikančios grindų sijas arba grindis, kurias veikia didelė ašinė gniuždymo apkrova.
Dažniausiai jie yra pagaminti taip, kad būtų atsparūs gniuždomosioms ašinėms apkrovoms, tačiau priklausomai nuo to, kaip jie yra nustatyti ir pagaminti, jie taip pat gali atlaikyti lenkimo ir šlyties jėgas.
Kolonos gali būti apvalios, kvadratinės arba stačiakampės, be kita ko, jos gali būti pagamintos iš betono, plieno ar medžio.
Rėmelio nariai: charakteristikos ir taikymas
Priklausomai nuo to, kaip jie yra sumontuoti ir pagaminti, sijos ir kolonos gali išlaikyti tiek skersines, tiek ašines apkrovas išilgai jų.
Jie dažnai naudojami pastatų ir statybos projektuose grindims, stogams ir sienoms laikyti.
Tačiau, skirtingai nei santvaros elementai, rėmo elementai neturi išlaikyti tik ašines apkrovas; jie taip pat gali išlaikyti skersines apkrovas.
Didžiausios ašinės apkrovos nustatymas
Statant konstrukciją svarbu žinoti, kokią ašinę apkrovą gali atlaikyti tam tikras elementas ar konstrukcija.
Stulpelių didžiausios ašinės apkrovos apskaičiavimas
Norėdami sužinoti, kokią ašinę apkrovą gali atlaikyti stulpelis, galite išsiaiškinti jo KL/r ir tada lentelėje ieškoti cFcr reikšmės.
Įtempį stulpelio skerspjūvyje galima rasti naudojant lygtį AP=f, kur manoma, kad f visame skerspjūvyje yra vienodas.
Yra žinoma, kad lenkimas yra ribinė kolonų gedimo būsena, o lygtis pateikia kritinę kolonų lenkimo apkrovą Pcr (3.1).
Tačiau norint visiškai išsiaiškinti tam tikros kolonos kritinę lenkimo apkrovą, reikia daugiau lygčių ir metodų, o projektuojant turi būti atsižvelgta į kolonėlės pabaigą ir medžiagos savybes.
Apytikslė maksimali apkrovos galia
Plieninio dizaino kūrimas ir sąveikos santykio įvertinimas yra geras būdas susidaryti apytikslį supratimą apie didžiausią nario svorį.
Sąveikos santykis yra santykis tarp didžiausio svorio, kurį narys gali nešti, ir to, kiek svorio jis iš tikrųjų neša.
Šio santykio atvirkštinė vertė parodo, kiek daugiau svorio gali atlaikyti kiekvienas narys, kol jis sulūžs.
Svarbu atsiminti, kad šis metodas suteikia tik įvertinimą.
Faktinė maksimali apkrova, kurią gali nešti narys, gali būti mažesnė arba didesnė už apskaičiuotą vertę.
Projektavimas maksimaliai ašinei apkrovai
Projektuojant konstrukcijas, elementų dydis apytiksliai apskaičiuojamas remiantis architektūriniais brėžiniais ir kitais atitinkamais dokumentais, o jų svoris apskaičiuojamas naudojant daugumos kodų ir kitos civilinės inžinerinės literatūros informaciją.
Tačiau konstrukcijos turi būti pastatytos taip, kad atlaikytų kritinę apkrovą, kuri yra didžiausia apkrova, galinti jas veikti.
Tai daroma sudedant visas apkrovas, kurias konstrukcija gali išlaikyti per visą savo eksploatavimo laiką.
Tai apima ir gyvuosius, ir negyvus krovinius, taip pat apkrovas, kurias sukelia vėjas, žemės drebėjimai ir kitos galimos apkrovos.
Kritinė apkrova ilgose plonose kolonose
Kritinė apkrova yra didžiausias ašinis svoris, kurį kolona gali išlaikyti prieš pradėdama lenkti.
Eulerio formulė: kritinės apkrovos apskaičiavimas
Kritinę apkrovą galima rasti naudojant Eilerio formulę: Pcr = (2EI)/(KL)2, kur Pcr yra Eulerio kritinė apkrova, E yra Youngo tamprumo modulis, I yra mažiausias antrasis skerspjūvio ploto momentas. Stulpelis (inercijos momento plotas), K yra stulpelio efektyvusis ilgio koeficientas, o L yra neparemtas stulpelio ilgis.
Kritinės apkrovos reikšmė
Kritinė apkrova yra svarbi norint išsiaiškinti, kiek ilgi, ploni stulpeliai reaguoja į ašinę gniuždymo jėgą, nes ji nepriklauso nuo medžiagos stiprumo.
Tai reiškia, kad statydami plonas konstrukcijas, kurios gali sulenkti, inžinieriai turi atkreipti ypatingą dėmesį į plonumo santykį, kuris yra kolonos ilgis, padalytas iš mažiausio sukimosi spindulio.
Didelis lieknumo koeficientas reiškia, kad dėl mažų suspaudimo apkrovų konstrukcija labiau sulūžta.
Sulenkimas įvyksta, kai tiesi kolona, kuri suspaudžiama išilgai savo ilgio, staiga pasilenkia. Tai stulpelių gedimo ribinė būsena.
Ašiniai apkrovos elementai ir jų pritaikymas
Apkrovos elementai, matuojantys jėgą išilgai vienos ašies, vadinami ašiniais apkrovos elementais.
Ašinių apkrovos elementų veikimo principas
Ašiniai apkrovos elementai veikia paversdami jiems veikiančią jėgą elektriniu signalu, kurį galima nuskaityti ir užrašyti.
Jie naudoja deformacijos matuoklius, kad išmatuotų, kiek ašinė apkrova keičia kažko formą.
Kai jėgos elementas veikiamas išilgai jo ašies, deformacijos matuokliai sulinksta, o tai keičia jų atsparumą.
Tada pasipriešinimo pokytis paverčiamas elektriniu signalu, kurį galima išmatuoti.
Ašinių apkrovos elementų taikymas
Ašiniu būdu montuojami apkrovos elementai naudojami daugelyje sričių, pavyzdžiui, aviacijos, automobilių ir gamybos srityse.
Kai kurie įprasti ašinių apkrovos elementų naudojimo būdai yra šie:
- Pastatų ir tiltų konstrukcinių dalių, pvz., sijų ir kolonų, jėgos matavimas, kai jie statomi arba naudojami.
- Bandymai naudojami, pavyzdžiui, išsiaiškinti, kiek jėgos reikia norint ką nors išspausti ar ištempti, arba kiek jėgos reikia norint ką nors sulaužyti ar deformuoti.
- Stebėkite tokius dalykus kaip hidrauliniai presai, kranai ir keltuvai, kad įsitikintumėte, jog jie veikia saugiai.
- Daugiau pateiksiu šio straipsnio apačioje.
Kiti ašinės apkrovos aspektai
Ašinė vėjo apkrova
Ašinė vėjo apkrova yra jėga, kurią vėjo srautas veikia pastatą.
Anksčiau dėl vėjo jėgų, ypač pakrančių zonose, daugelis pastatų griuvo.
Statybos inžinieriai naudoja ASCE 7-16 modifikuotą lygtį 2.2, kurioje atsižvelgiama į konstrukcijos aukštį virš žemės ir į tai, kiek ji svarbi žmonių gyvybei ir turtui, kad išsiaiškintų vėjo greitį ir slėgį skirtinguose aukščiuose virš žemės lygio.
Statybos inžinieriai naudoja formulę, kurioje atsižvelgiama į tokius dalykus kaip numatomas plotas, vėjo slėgis, pasipriešinimo koeficientas, ekspozicijos koeficientas, gūsių reakcijos koeficientas ir svarbos faktorius, kad išsiaiškintų ašinę vėjo apkrovą.
Viena formulė yra F = A x P x Cd, kur F yra jėga arba vėjo apkrova, A yra projektuojamas objekto plotas, P yra vėjo slėgis ir Cd yra pasipriešinimo koeficientas.
Nuovargio stiprumas
Konstrukcijos nuovargio stiprio, veikiant ašinėms ir lenkimo apkrovoms, skaičiavimas gali būti atliktas naudojant analitinius metodus, pagrįstus ašinės ir lenkimo apkrovos nuovargio stiprio santykiu.
Taikant šiuos metodus, nuovargio stipris veikiant sukamajai lenkimo apkrovai pakeičiamas į nuovargio stiprumą veikiant ašinei apkrovai.
Norint išsiaiškinti, kaip veikia analitinis modelis, galima atlikti didelio ciklo nuovargio testus abiem apkrovos sąlygomis.
Be to, plokštumos įtempių modeliai gali būti naudojami norint išsiaiškinti, kiek ilgai tarnaus medžiaga, naudojama ant jos paviršiaus, kur vienas iš pagrindinių įtempių paprastai yra lygus nuliui.
Galiausiai, SN kreivės gali būti naudojamos norint rasti didžiausią leistiną įtempį N ciklų metu ir nuovargio stiprumo mažinimo koeficientą kf.
Rutuliniai guoliai ir didžiausia ašinė apkrova
Radialiniai rutuliniai guoliai su fiksatoriumi (arba narveliu) dažniausiai yra skirti atlaikyti radialines apkrovas, tačiau gali atlaikyti ir ašines apkrovas.
Ašinės apkrovos, kuri gali būti taikoma guoliui, dydis priklauso nuo jo dydžio ir paprastai pateikiamas procentais nuo guolio radialinės apkrovos.
Kai skirtumas tarp angos skersmens ir išorinio žiedo skersmens yra didelis, guolis gali atlaikyti ašines apkrovas, kurios sudaro iki 50% radialinės statinės apkrovos.
Plonos dalies guolių bėgių takai yra seklesni, todėl jie mažiau atlaiko ašines apkrovas.
Jei guolis turi atlaikyti didelę ašinę apkrovą, turėtų būti naudojamas kampinis kontaktinis guolis.
Šie guoliai viduje pagaminti kitaip nei gilių griovelių rutuliniai guoliai, todėl gali atlaikyti didesnes ašines apkrovas.
Didžiausia ašinė apkrova rutuliniams guoliams, kurių vidinis skersmuo yra tam tikras, priklauso nuo kelių dalykų, tokių kaip guolio dydis, guolio bėgių kelio gylis ir nuo to, ar jis yra veikiamas didelių radialinių ar momentinių apkrovų.
Ašinės apkrovos, kuri gali būti taikoma guoliui, dydis dažnai nurodomas kaip apytikslis guolio radialinės apkrovos įvertinimas.
SKF suteikia minimalias ašines ir radialines apkrovas pavieniams guoliams ir guolių poroms, sukonfigūruotoms tandemu arba „nugara su nugara“/priešais.
Didžiausia apkrova, kurią galima patirti rutuliniams guoliams, priklauso nuo to, kaip jie pagaminti iš vidaus.
Ašinė apkrova konstrukcijose
Kai jėga veikiama konstrukciją tiesiai išilgai konstrukcijos ašies, tai vadinama ašine apkrova.
Kai yra taškinė apkrova, įtempis šalia apkrovos taško yra daug didesnis nei vidutinis įtempis.
Tai sukelia labai sudėtingas deformacijas, nes įtempių būsenos yra labai sudėtingos.
Normalus įtempis ir šlyties įtempis yra abu būdai, kaip išmatuoti vidutinį įtempį per skerspjūvį.
Nesvarbu, kurioje skerspjūvio dalyje žiūrėtumėte, įtempimo lygis yra toks pat.
Taškinė apkrova – tai jėga iš išorės, kuri sutelkta mažame plote.
Naudojimo atvejai
Štai keletas ašinės apkrovos naudojimo būdų:
| Naudojamas: | Apibūdinimas: |
|---|---|
| Kolonos dizainas | Kolonos yra puikus konstrukcinio elemento, pagaminto išlaikyti ašines apkrovas, pavyzdys. Pavyzdžiui, pastatuose kolonos palaiko aukščiau esančių grindų ir stogo svorį, todėl susidaro gniuždymo ašinė apkrova, kurią kolona turi atlaikyti. Ašinė apkrova yra svarbus dalykas, į kurį reikia atsižvelgti projektuojant kolonas, siekiant užtikrinti, kad jos nesulenktų ir nesulūžtų veikiamos jėgos. |
| Tiltai | Projektuojant tiltus taip pat labai svarbu pagalvoti apie ašinę apkrovą. Suspaudimo ašines apkrovas sukelia tilto ir juo vežamų transporto priemonių svoris. Tiltas turi atlaikyti šias apkrovas. Tiltus taip pat gali paveikti vėjas, žemės drebėjimai ir eismas – visa tai gali sukelti lenkimo momentus ir šlyties jėgas. Norint sukurti saugius ir naudingus tiltus, svarbu žinoti, kaip šios apkrovos sąveikauja viena su kita. |
| Bokšto dizainas | Didelės ašinės gniuždymo apkrovos yra taikomos bokštams, pavyzdžiui, perdavimo bokštams, elementų bokštams ir vėjo turbinoms. Darydami šias konstrukcijas, be kita ko, turite galvoti apie jų apkrovimo būdą, medžiagas, bokštų aukštį ir plotį. Kad šios konstrukcijos būtų saugios ir tarnautų ilgai, turite žinoti, kaip jas veikia ašinės apkrovos. |
| Gamyba ir bandymai | Ašinė apkrova taip pat yra svarbi koncepcija gamyboje ir bandymuose, kai medžiagos ir gaminiai turi atlaikyti tam tikras apkrovas nelūždami ar nedeformuodami. Naudodami bandymo įrankius, pvz., ašinius apkrovos elementus, galite sužinoti, kokią ašinę apkrovą gali atlaikyti medžiaga ar gaminys, kol jis sulūžs. |
| Aviacijos ir kosmoso programos | Ašinės apkrovos gali būti labai svarbios projektuojant raketas, raketas ir kitas transporto priemones, skirtas naudoti kosmose. Ašines apkrovas gali sukelti transporto priemonės svoris, greitis arba vibracija. Norint sukurti saugias ir veiksmingas sistemas, svarbu žinoti, kaip ašinės apkrovos veikia transporto priemonės konstrukcines dalis. |
Išvada
Kaip matėme šiame straipsnyje, ašinė apkrova yra pagrindinė projektuojant ir statant konstrukcijas, kurios gali atlaikyti jas veikiančias jėgas.
Dirbant su šia svarbia jėga, reikia galvoti apie daugybę dalykų: nuo unikalių ilgų, plonų kolonų iššūkių supratimo iki ašinių apkrovos elementų įtraukimo į inžinerijos įrankių rinkinį.
Tačiau ašinė apkrova taip pat primena, kad inžinerija yra sudėtinga sritis, kuri nuolat keičiasi.
Ir toliau plėsdami įmanomų galimybių ribas, neišvengiamai susidursime su naujomis problemomis, kurias sprendžiant reikės kūrybiškai mąstyti ir dirbti kartu.
Taigi, kai kitą kartą dirbsite su ašine apkrova, būkite atviri ir būkite pasirengę mokytis.
Kas žino, kokie nauji dalykai yra už kito kampo?
Pasidalinti…
