Izpratne Par Aksiālo Slodzi Inženierzinātnēs

Kā inženierzinātņu students vai inženieris jūs zināt, cik svarīgi ir, lai konstrukcijas spētu izturēt dažāda veida slodzes.

Bet vai esat kādreiz domājuši par unikālajām problēmām, ko rada aksiālā slodze? Atšķirībā no bīdes spēka, griezes slodzes un lieces slodzes aksiālā slodze pieliek spēku tieši gar konstrukcijas asi.

Tas nozīmē, ka, projektējot, būvējot un uzturot konstrukcijas, ir jāņem vērā pilnīgi jaunas lietas.

Šajā rakstā es detalizēti aplūkošu aksiālo slodzi un aptveršu visu, kas jums jāzina, lai izveidotu konstrukcijas, kas spēj izturēt šo svarīgo spēku.

Tāpēc piesprādzējieties, un ļaujiet mums sākt!

Ievads aksiālajā slodzē

Formālā definīcija:

Spēks, kura rezultējošais iet caur noteikta posma centroīdu un ir perpendikulārs griezuma plaknei.

Aksiālā slodze ir slodzes veids, kas rada spiedienu uz konstrukcijas elementu gar tās asi.

Atšķirībā no bīdes spēka, griezes slodzes un lieces slodzes, aksiālā slodze rada lielāku spiedes spriegumu nekā spriedze vai bīdes spēks.

Bīdes spēks, griezes slodze un lieces slodze: atšķirības

Bīdes spēks izraisa spriedzes izkliedi gar objekta plakni, savukārt vērpes slodze izraisa spriedzes izkliedi ap objekta garenasi.

Kad slodze ir saliekta, tā rada normālu spriegumu un šķērsvirziena bīdes spriegumu.

Normāls spriegums ietver gan aksiālo, gan šķērsenisko spriegumu, savukārt šķērsvirziena bīdes spriegums ietver gan griezes, gan šķērsvirziena bīdes spriegumu.

Aksiālās slodzes nozīme

Aksiālās slodzes ir svarīgas, jo tās var mainīt gan implanta struktūru, gan kaulu ap to.

Inženierzinātnēs aksiālā slodze ir ļoti svarīga kolonnu, siju un kopņu izgatavošanas sastāvdaļa.

Biomehānikā aksiālās slodzes var mainīt kaulu kustību, kas cita starpā var izraisīt lūzumus vai locītavu nomaiņas.

Tāpēc gan inženierzinātnēs, gan medicīnā ir svarīgi saprast, kā darbojas aksiālā slodze.

Atšķirība starp aksiālo slodzi un šķērsenisko slodzi

Padoms. Ja nepieciešams, ieslēdziet parakstu pogu. Iestatījumu pogā izvēlieties “automātiskais tulkojums”, ja nezināt angļu valodu. Iespējams, vispirms būs jānoklikšķina uz videoklipa valodas, pirms jūsu iecienītākā valoda kļūst pieejama tulkošanai.

Strukturālie elementi un aksiālās slodzes

Kopnes un kolonnas ir divi izplatīti konstrukcijas elementu veidi, kas galvenokārt ir izgatavoti aksiālās slodzes pārvadāšanai.

Kopnes: raksturojums un pielietojums

Kopnes ir konstrukcijas elementi, kas ir izgatavoti, lai tos pārvadātu aksiālos spēkus.

Šie spēki var būt spriedze, saspiešana vai atgriezeniska spriedze/saspiešana atkarībā no sliktākajām slodzēm un slodzes kombinācijām.

Kopņu elementi izmanto mazāk materiāla, lai izturētu tādu pašu svara daudzumu.

Tas padara tos lieliski piemērotus tiltiem vai jumtiem, kuriem jābūt izturīgiem, bet ne pārāk smagiem.

Bet kopņu elementi var brīvi pārvietoties un var pārvadāt kravas tikai vienā virzienā.

Tas nozīmē, ka tie nav pietiekami izturīgi, lai izturētu slodzi, kas pārvietojas no vienas puses uz otru vai liecas.

Kolonnas: Raksturlielumi un pielietojumi

Kolonnas ir tērauda ēku karkasu vertikālās daļas, kas notur grīdas sijas vai grīdas, kas ir pakļautas lielai aksiālai spiedes slodzei.

Tie galvenokārt ir izgatavoti, lai izturētu spiedes aksiālās slodzes, taču atkarībā no tā, kā tie ir iestatīti un izgatavoti, tie var izturēt arī lieces un bīdes spēkus.

Kolonnas var būt apaļas, kvadrātveida vai taisnstūrveida, un tās, cita starpā, var būt izgatavotas no betona, tērauda vai koka.

Rāmja dalībnieki: raksturojums un pielietojums

Atkarībā no tā, kā tie ir uzstādīti un izgatavoti, sijas un kolonnas visā garumā var izturēt gan šķērsvirziena, gan aksiālas slodzes.

Tos bieži izmanto, lai nostiprinātu grīdas, jumtus un sienas ēku un būvniecības projektos.

Bet, atšķirībā no kopņu elementiem, rāmja elementiem nav jāatbalsta tikai aksiālās slodzes; tie var izturēt arī šķērseniskas slodzes.

Maksimālās aksiālās slodzes noteikšana

Būvējot konstrukciju, ir svarīgi zināt, cik lielu aksiālo slodzi var izturēt konkrēts elements vai konstrukcija.

Maksimālās aksiālās slodzes aprēķināšana kolonnām

Lai uzzinātu, cik lielu aksiālo slodzi kolonna var izturēt, varat izdomāt tās KL/r un pēc tam tabulā meklēt cFcr vērtību.

Spriegumu kolonnas šķērsgriezumā var atrast, izmantojot vienādojumu AP=f, kur pieņem, ka f ir vienāds visā šķērsgriezumā.

Ir zināms, ka izliekšanās ir atteices robežstāvoklis kolonnām, un vienādojums sniedz kritisko izliekuma slodzi Pcr kolonnām (3.1.).

Bet, lai pilnībā noskaidrotu konkrētās kolonnas kritisko izliekuma slodzi, ir nepieciešams vairāk vienādojumu un metožu, un projektēšanā jāņem vērā kolonnas gala un materiāla īpašības.

Aptuvenā maksimālā slodzes jauda

Tērauda konstrukcija un mijiedarbības koeficienta apskate ir labs veids, kā iegūt aptuvenu priekšstatu par lielāko svaru, ko var izturēt dalībnieks.

Mijiedarbības attiecība ir attiecība starp lielāko svaru, ko loceklis var pārvadāt, un to, cik lielu svaru tas faktiski nes.

Šīs attiecības apgrieztā vērtība norāda, cik daudz svara katrs dalībnieks var izturēt, pirms tas salūzt.

Ir svarīgi atcerēties, ka šī metode sniedz tikai novērtējumu.

Faktiskā maksimālā slodze, ko loceklis var pārvadāt, var būt zemāka vai lielāka par aprēķināto vērtību.

Projektēšana maksimālai aksiālajai slodzei

Projektējot konstrukcijas, elementu izmēri tiek aprēķināti aptuveni, pamatojoties uz arhitektūras rasējumiem un citiem būtiskiem dokumentiem, un to svars tiek noteikts, izmantojot informāciju no vairuma kodu un citas inženiertehniskās literatūras.

Taču konstrukcijas ir jābūvē tā, lai tās izturētu kritisko slodzi, kas ir lielākā slodze, kas uz tām varētu iedarboties.

Tas tiek darīts, saskaitot visas slodzes, ko konstrukcija varētu izturēt tās kalpošanas laikā.

Tas ietver gan dzīvās slodzes, gan bezslodzes, kā arī vēja, zemestrīču un citu iespējamo slodžu radītās slodzes.

Kritiskā slodze garās slaidās kolonnās

Kritiskā slodze ir vislielākais aksiālais svars, ko kolonna var noturēt, pirms tā sāk saliekties.

Eilera formula: kritiskās slodzes aprēķināšana

Kritiskās slodzes noteikšanai var izmantot Eilera formulu: Pcr = (2EI)/(KL)2, kur Pcr ir Eilera kritiskā slodze, E ir Janga elastības modulis, I ir šķērsgriezuma laukuma minimālais otrais moments. Kolonna (laukuma inerces moments), K ir kolonnas efektīvais garuma koeficients, un L ir kolonnas neatbalstītais garums.

Kritiskās slodzes nozīme

Kritiskā slodze ir svarīga, lai noskaidrotu, cik garas, plānas kolonnas reaģē uz aksiālo spiedes spēku, jo tā nav atkarīga no materiāla stiprības.

Tas nozīmē, ka, veidojot plānas konstrukcijas, kas var izliekties, inženieriem ir jāpievērš īpaša uzmanība slaiduma attiecībai, kas ir kolonnas garums, kas dalīts ar tās mazāko riņķošanas rādiusu.

Augsts slaiduma koeficients nozīmē, ka nelielas kompresijas slodzes var izraisīt konstrukcijas pārrāvumus.

Izliekšanās notiek, kad taisna kolonna, kas tiek saspiesta visā garumā, pēkšņi izliecas. Šis ir kolonnu kļūmes ierobežojuma stāvoklis.

Aksiālās slodzes šūnas un to pielietojums

Slodzes šūnas, kas mēra spēku pa vienu asi, sauc par aksiālām slodzes šūnām.

Aksiālo slodzes elementu darbības princips

Aksiālās slodzes šūnas darbojas, pārvēršot tām pielikto spēku elektriskā signālā, ko var nolasīt un pierakstīt.

Viņi izmanto deformācijas mērītājus, lai izmērītu, cik liela aksiālā slodze maina kaut kā formu.

Pieliekot spēku slodzes elementam gar tās asi, deformācijas mērītāji saliecas, kas maina to pretestību.

Pēc tam pretestības izmaiņas tiek pārvērstas par elektrisku signālu, ko var izmērīt.

Aksiālo slodzes elementu pielietojumi

Aksiāli montētas slodzes šūnas tiek izmantotas daudzās jomās, piemēram, aviācijā, automobiļu rūpniecībā un ražošanā.

Daži izplatīti aksiālās slodzes elementu izmantošanas veidi ir:

• Spēka mērīšana uz ēku un tiltu konstrukcijas daļām, piemēram, sijām un kolonnām, kamēr tās tiek būvētas vai izmantotas.
• Testēšana izmanto, piemēram, lai noskaidrotu, cik liels spēks ir nepieciešams, lai kaut ko izspiestu vai izstieptu, vai cik liels spēks ir nepieciešams, lai kaut ko salauztu vai deformētu.
• Sekojiet līdzi tādām lietām kā hidrauliskās preses, celtņi un lifti, lai pārliecinātos, ka tie darbojas droši.
• Es uzskaitīšu vairāk šī raksta apakšā.

Citi aksiālās slodzes aspekti

Aksiālā vēja slodze

Aksiālā vēja slodze ir spēks, ko vēja plūsma iedarbojas uz ēku.

Agrāk vēja spēki, īpaši piekrastes rajonos, ir izraisījuši daudzu ēku sabrukšanu.

Būvinženieri izmanto ASCE 7-16 modificēto vienādojumu 2.2, kas ņem vērā konstrukcijas augstumu virs zemes līmeņa un to, cik svarīga tā ir cilvēku dzīvībai un īpašumam, lai noskaidrotu vēja ātrumu un spiedienu dažādos augstumos virs zemes līmeņa.

Būvinženieri izmanto formulu, kas ņem vērā tādas lietas kā prognozētais laukums, vēja spiediens, pretestības koeficients, ekspozīcijas koeficients, brāzmu reakcijas koeficients un svarīguma koeficients, lai noskaidrotu aksiālo vēja slodzi.

Viena formula ir F = A x P x Cd, kur F ir spēks vai vēja slodze, A ir objekta projektētais laukums, P ir vēja spiediens un Cd ir pretestības koeficients.

Noguruma spēks

Konstrukcijas noguruma stiprības aprēķinu pie aksiālās un lieces slodzēm var veikt, izmantojot analītiskās metodes, kuru pamatā ir aksiālās un lieces slodzes noguruma stiprības attiecība.

Šajās metodēs noguruma izturība pie rotācijas lieces slodzes tiek mainīta uz noguruma izturību pie aksiālās slodzes.

Lai noskaidrotu, kā darbojas analītiskais modelis, abos slodzes apstākļos var veikt arī augsta cikla noguruma testus.

Arī plaknes spriegumu modeļus var izmantot, lai noskaidrotu, cik ilgi materiāls kalpos uz tā virsmas, kur viens no galvenajiem spriegumiem parasti ir nulle.

Visbeidzot, SN līknes var izmantot, lai atrastu maksimālo pieļaujamo spriegumu N ciklos un noguruma stiprības samazināšanas koeficientu kf.

Lodīšu gultņi un maksimālā aksiālā slodze

Radiālie lodīšu gultņi ar fiksatoru (vai sprostu) galvenokārt ir izgatavoti, lai izturētu radiālās slodzes, taču tie var izturēt arī aksiālās slodzes.

Aksiālās slodzes apjoms, ko var pielikt gultnim, ir atkarīgs no tā izmēra, un to parasti norāda procentos no gultņa radiālās slodzes.

Ja starpība starp urbuma diametru un ārējā gredzena diametru ir liela, gultnis var uzņemt aksiālās slodzes, kas ir līdz 50% no radiālās statiskās slodzes.

Plānas sekciju gultņu celiņi ir seklāki, kas padara tos mazāk spējīgus izturēt aksiālās slodzes.

Ja gultnim ir nepieciešams izturēt lielu aksiālo slodzi, jāizmanto leņķiskā kontakta gultnis.

Tie ir izgatavoti no iekšpuses savādāk nekā dziļo rievu lodīšu gultņi, tāpēc tie spēj izturēt lielākas aksiālās slodzes.

Maksimālā aksiālā slodze lodīšu gultņiem ar noteiktu iekšējo diametru ir atkarīga no vairākām lietām, piemēram, gultņa izmēra, gultņa trases dziļuma un tā, vai tas ir vai nav pakļauts lielai radiālai vai momenta slodzei.

Aksiālās slodzes lielums, ko var pielikt gultnim, bieži tiek norādīts kā gultņa radiālās slodzes tuvinājums.

SKF nodrošina minimālas aksiālās un radiālās slodzes atsevišķiem gultņiem un gultņu pāriem, kas uzstādīti tandēmā vai mugurpuses/aci pret aci konfigurācijās.

Vislielākā slodze, ko var radīt lodīšu gultņiem, ir atkarīga no tā, kā tie ir izgatavoti no iekšpuses.

Aksiālā slodze konstrukcijās

Ja spēks tiek pielikts konstrukcijai tieši gar konstrukcijas asi, to sauc par aksiālo slodzi.

Ja ir punktveida slodze, spriegums slodzes punkta tuvumā ir daudz lielāks nekā vidējais spriegums.

Tas rada ļoti sarežģītas deformācijas, jo sprieguma stāvokļi ir ļoti sarežģīti.

Normāls spriegums un bīdes spriegums ir abi veidi, kā mērīt vidējo spriegumu šķērsgriezumā.

Neatkarīgi no tā, kur šķērsgriezumā jūs skatāties, stresa līmenis ir vienāds.

Punkta slodze ir spēks no ārpuses, kas koncentrējas nelielā laukumā.

Lietošanas gadījumi

Šeit ir daži veidi, kā var izmantot aksiālo slodzi:

Izmanto:	Apraksts:
Kolonnas dizains	Kolonnas ir lielisks konstrukcijas elementa piemērs, kas izgatavots, lai atbalstītu aksiālās slodzes. Piemēram, ēkās kolonnas atbalsta augšējo grīdu un jumta svaru, kas rada spiedes aksiālo slodzi, kas kolonnai ir jāiztur. Aksiālā slodze ir svarīga lieta, kas jāņem vērā, projektējot kolonnas, lai pārliecinātos, ka tās nelocīsies vai nesalūzīs spēka ietekmē.
Tilti	Projektējot tiltus, ļoti svarīga ir arī aksiālā slodze. Saspiešanas aksiālās slodzes rada tilta un tā pārvadāto transportlīdzekļu svars. Tiltam ir jāspēj izturēt šīs slodzes. Tiltus var ietekmēt arī tādas lietas kā vējš, zemestrīces un satiksme, kas var izraisīt lieces momentus un bīdes spēkus. Lai izveidotu drošus un noderīgus tiltus, ir svarīgi zināt, kā šīs slodzes mijiedarbojas viena ar otru.
Torņa dizains	Uz torņiem, piemēram, pārraides torņiem, šūnu torņiem un vēja turbīnām, tiek uzlikta liela spiedes aksiālā slodze. Izgatavojot šīs konstrukcijas, cita starpā ir jādomā par to slogošanas veidu, materiāliem un torņu augstumu un platumu. Lai pārliecinātos, ka šīs konstrukcijas ir drošas un kalpo ilgu laiku, jums jāzina, kā tās ietekmē aksiālās slodzes.
Ražošana un testēšana	Aksiālā slodze ir arī svarīgs jēdziens ražošanā un testēšanā, kur materiāliem un izstrādājumiem jāspēj izturēt noteiktas slodzes, nesalaužot vai nedeformējoties. Izmantojot testēšanas rīkus, piemēram, aksiālās slodzes šūnas, varat uzzināt, cik lielu aksiālo slodzi materiāls vai izstrādājums var uzņemt, pirms tas saplīst.
Kosmosa lietojumprogrammas	Aksiālās slodzes var būt ļoti svarīgas, projektējot raķetes, raķetes un citus transportlīdzekļus izmantošanai kosmosā. Aksiālās slodzes var izraisīt transportlīdzekļa svars, ātrums vai vibrācijas. Lai izveidotu drošas un efektīvas sistēmas, ir svarīgi zināt, kā aksiālās slodzes ietekmē transportlīdzekļa konstrukcijas daļas.

Secinājums

Kā mēs redzējām šajā rakstā, aksiālā slodze ir galvenā konstrukciju projektēšanas un būvniecības sastāvdaļa, kas spēj izturēt uz tām radīto spēku.

Strādājot ar šo svarīgo spēku, ir jādomā par daudzām lietām, sākot no garu, tievu kolonnu unikālo izaicinājumu izpratnes līdz aksiālo slodzes elementu pievienošanai inženierijas rīku komplektam.

Bet aksiālā slodze arī atgādina, ka inženierija ir sarežģīta joma, kas vienmēr mainās.

Turpinot pārkāpt iespējamās robežas, mēs neizbēgami saskarsimies ar jaunām problēmām, kuru risināšanai mums būs jādomā radoši un jāstrādā kopā.

Tāpēc nākamreiz, kad strādājat ar aksiālo slodzi, esiet atvērts un esiet gatavs mācīties.

Kurš zina, kādas jaunas lietas būs aiz nākamā stūra?