Pochopenie Axiálneho Zaťaženia V Strojárstve

Ako študent inžinierstva alebo inžinier viete, aké dôležité je, aby konštrukcie boli schopné zvládnuť rôzne druhy zaťaženia.

Ale premýšľali ste niekedy o jedinečných problémoch, ktoré predstavuje axiálne zaťaženie? Na rozdiel od šmykovej sily, torzného zaťaženia a ohybového zaťaženia, axiálne zaťaženie pôsobí silou priamo pozdĺž osi konštrukcie.

To znamená, že pri navrhovaní, stavbe a údržbe štruktúr je potrebné vziať do úvahy úplne nový súbor vecí.

V tomto článku sa budem podrobne zaoberať axiálnym zaťažením a pokryjem všetko, čo potrebujete vedieť na stavbu štruktúr, ktoré dokážu zvládnuť túto dôležitú silu.

Tak sa pripútajte a začnime!

Úvod do axiálneho zaťaženia

Formálna definícia:

Sila, ktorej výslednica prechádza cez ťažisko konkrétneho rezu a je kolmá na rovinu rezu.

Axiálne zaťaženie je typ zaťaženia, ktoré vyvíja tlak na konštrukčný prvok pozdĺž jeho osi.

Na rozdiel od šmykovej sily, torzného zaťaženia a ohybového zaťaženia vytvára axiálne zaťaženie väčšie tlakové napätie ako ťahová alebo šmyková sila.

Šmyková sila, torzné zaťaženie a ohybové zaťaženie: rozdiely

Šmyková sila spôsobuje rozloženie napätia pozdĺž roviny objektu, zatiaľ čo torzné zaťaženie spôsobuje rozloženie napätia okolo pozdĺžnej osi objektu.

Keď je zaťaženie ohnuté, vytvára normálne napätie a priečne šmykové napätie.

Normálne napätie zahŕňa axiálne aj priečne napätie, zatiaľ čo priečne šmykové napätie zahŕňa torzné aj priečne šmykové napätie.

Význam axiálneho zaťaženia

Axiálne zaťaženie je dôležité, pretože môže zmeniť štruktúru implantátu aj kosti okolo neho.

V strojárstve je axiálne zaťaženie veľmi dôležitou súčasťou výroby stĺpov, nosníkov a priehradových nosníkov.

V biomechanike môže axiálne zaťaženie zmeniť pohyb kostí, čo môže okrem iných zranení spôsobiť zlomeniny alebo náhrady kĺbov.

Z tohto dôvodu je dôležité v inžinierstve aj medicíne pochopiť, ako funguje axiálne zaťaženie.

Rozdiel medzi axiálnym zaťažením a priečnym zaťažením

Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov. Ak nie ste oboznámení s anglickým jazykom, vyberte v tlačidle nastavení „automatický preklad“. Možno budete musieť najskôr kliknúť na jazyk videa, až potom bude váš obľúbený jazyk dostupný na preklad.

Konštrukčné prvky a axiálne zaťaženia

Nosníky a stĺpy sú dva bežné typy konštrukčných prvkov, ktoré sa väčšinou vyrábajú na prenášanie axiálnych zaťažení.

Krovy: Vlastnosti a aplikácie

Priehradové nosníky sú konštrukčné prvky, ktoré sú vyrobené na prenášanie osových síl vo svojich prvkoch.

Týmito silami môže byť ťah, stlačenie alebo reverzibilné napätie/stlačenie v závislosti od najhoršieho prípadu zaťaženia a kombinácií zaťažení.

Prvky nosníka používajú menej materiálu na udržanie rovnakej hmotnosti.

Vďaka tomu sú skvelé pre mosty alebo strechy, ktoré musia byť pevné, ale nie príliš ťažké.

Nosníky nosníka sa môžu voľne pohybovať a môžu prenášať zaťaženie iba v jednom smere.

To znamená, že nie sú dostatočne pevné, aby odolali nákladom, ktoré sa pohybujú zo strany na stranu alebo sa ohýbajú.

Stĺpce: Charakteristiky a aplikácie

Stĺpy sú zvislé časti oceľových stavebných rámov, ktoré držia podlahové nosníky alebo podlahy, ktoré sú vystavené veľkému axiálnemu tlakovému zaťaženiu.

Väčšinou sú vyrobené tak, aby odolávali tlakovému axiálnemu zaťaženiu, ale v závislosti od toho, ako sú nastavené a ako sú vyrobené, môžu odolávať aj ohybovým a šmykovým silám.

Stĺpy môžu byť okrúhle, štvorcové alebo obdĺžnikové a môžu byť okrem iného vyrobené z betónu, ocele alebo dreva.

Rámové členy: Vlastnosti a aplikácie

V závislosti od spôsobu inštalácie a výroby môžu nosníky a stĺpy prenášať priečne aj axiálne zaťaženie pozdĺž svojej dĺžky.

Často sa používajú na držanie podláh, striech a stien v stavebných a stavebných projektoch.

Na rozdiel od priehradových prvkov však rámové prvky nemusia niesť len axiálne zaťaženie; znesú aj priečne zaťaženie.

Určenie maximálneho axiálneho zaťaženia

Pri stavbe konštrukcie je dôležité vedieť, aké veľké osové zaťaženie znesie určitý prvok alebo konštrukcia.

Výpočet maximálneho axiálneho zaťaženia pre stĺpy

Ak chcete zistiť, aké veľké axiálne zaťaženie stĺp dokáže zvládnuť, môžete zistiť jeho KL/r a potom vyhľadať hodnotu cFcr v tabuľke.

Napätie v priereze stĺpa možno zistiť pomocou rovnice AP=f, kde sa predpokladá, že f je v celom priereze rovnaké.

Je známe, že vybočenie je medzným stavom zlyhania pre stĺpy a rovnica udáva kritické zaťaženie na vydutie Pcr pre stĺpy (3.1).

Na úplné určenie kritického vzperového zaťaženia pre daný stĺp však potrebujete viac rovníc a metód a návrh musí brať do úvahy, ako stĺp končí a vlastnosti materiálu.

Približná maximálna nosnosť

Urobiť oceľový dizajn a pozrieť sa na interakčný pomer je dobrý spôsob, ako získať približnú predstavu o najväčšej hmotnosti, ktorú môže člen uniesť.

Interakčný pomer je pomer medzi najväčšou hmotnosťou, ktorú môže člen niesť, a tým, akú váhu skutočne nesie.

Prevrátená hodnota tohto pomeru vám hovorí, o koľko väčšiu váhu môže každý člen uniesť, kým sa zlomí.

Je dôležité si uvedomiť, že táto metóda poskytuje iba odhad.

Skutočné maximálne zaťaženie, ktoré môže prvok uniesť, môže byť nižšie alebo vyššie ako vypočítaná hodnota.

Navrhovanie pre maximálne axiálne zaťaženie

Pri navrhovaní konštrukcií sú prvky dimenzované približne na základe architektonických výkresov a iných relevantných dokumentov a ich hmotnosti sú vypočítané pomocou informácií z väčšiny kódov a inej literatúry o stavebnom inžinierstve.

Konštrukcie však musia byť postavené tak, aby zvládli kritickú záťaž, čo je najväčšia záťaž, ktorá na ne môže pôsobiť.

To sa dosiahne sčítaním všetkých zaťažení, ktoré by konštrukcia mohla niesť počas svojej životnosti.

To zahŕňa živé a vlastné zaťaženie, ako aj zaťaženie spôsobené vetrom, zemetraseniami a inými možnými zaťaženiami.

Kritické zaťaženie v dlhých štíhlych stĺpoch

Kritické zaťaženie je najaxiálnejšie závažie, ktoré môže stĺp udržať predtým, ako sa začne ohýbať.

Eulerov vzorec: Výpočet kritického zaťaženia

Na nájdenie kritického zaťaženia je možné použiť Eulerov vzorec: Pcr = (2EI)/(KL)2, kde Pcr je Eulerovo kritické zaťaženie, E je Youngov modul pružnosti, I je minimálny druhý moment plochy prierezu stĺp (plochový moment zotrvačnosti), K je faktor efektívnej dĺžky stĺpa a L je nepodoprená dĺžka stĺpa.

Význam kritického zaťaženia

Kritické zaťaženie je dôležité pre zistenie, ako dlhé tenké stĺpy reagujú na axiálnu tlakovú silu, pretože nezávisí od toho, ako silný je materiál.

To znamená, že pri stavbe tenkých konštrukcií, ktoré by sa mohli ohýbať, musia inžinieri venovať zvýšenú pozornosť pomeru štíhlosti, čo je dĺžka stĺpa vydelená jeho najmenším polomerom otáčania.

Vysoký pomer štíhlosti znamená, že malé kompresné zaťaženie s väčšou pravdepodobnosťou spôsobí zlomenie konštrukcie.

Vybočenie nastane, keď sa rovný stĺpik, ktorý je stláčaný pozdĺž svojej dĺžky, náhle ohne. Toto je medzný stav zlyhania pre stĺpy.

Axiálne silomery a ich aplikácie

Snímače zaťaženia, ktoré merajú silu pozdĺž jednej osi, sa nazývajú axiálne snímače zaťaženia.

Princíp činnosti snímačov axiálneho zaťaženia

Axiálne snímače zaťaženia pracujú tak, že premieňajú silu, ktorá na ne pôsobí, na elektrický signál, ktorý je možné čítať a zapisovať.

Pomocou tenzometrov merajú, ako veľmi axiálne zaťaženie mení tvar niečoho.

Keď sila pôsobí na silomer pozdĺž jeho osi, tenzometre sa ohýbajú, čím sa mení ich odpor.

Zmena odporu sa potom zmení na elektrický signál, ktorý je možné merať.

Aplikácie axiálnych silomerov

Axiálne namontované snímače zaťaženia sa používajú v mnohých oblastiach, ako je letecký priemysel, automobilový priemysel a výroba.

Niektoré bežné spôsoby použitia axiálnych snímačov zaťaženia sú:

• Meranie sily na konštrukčné časti budov a mostov, ako sú nosníky a stĺpy, počas ich výstavby alebo používania.
• Testovanie používa, ako je zisťovanie, koľko sily je potrebné na stlačenie alebo roztiahnutie niečoho, alebo koľko sily je potrebné na zlomenie alebo deformáciu niečoho.
• Dávajte pozor na veci, ako sú hydraulické lisy, žeriavy a výťahy, aby ste sa uistili, že fungujú bezpečne.
• Viac uvediem v spodnej časti tohto článku.

Ďalšie aspekty axiálneho zaťaženia

Axiálne zaťaženie vetrom

Axiálne zaťaženie vetrom je sila, ktorou prúdenie vetra pôsobí na budovu.

Sily vetra, najmä v pobrežných oblastiach, v minulosti spôsobili pád mnohých budov.

Stavební inžinieri používajú ASCE 7-16 modifikovanú rovnicu 2.2, ktorá berie do úvahy výšku konštrukcie nad úrovňou terénu a jej dôležitosť pre životy a majetok ľudí, aby zistili rýchlosť a tlak vetra v rôznych výškach nad úrovňou terénu.

Stavební inžinieri používajú vzorec, ktorý berie do úvahy veci, ako je projektovaná plocha, tlak vetra, koeficient odporu vzduchu, koeficient expozície, faktor odozvy na nárazy a faktor dôležitosti, aby zistili axiálne zaťaženie vetrom.

Jeden vzorec je F = A x P x Cd, kde F je sila alebo zaťaženie vetrom, A je projektovaná plocha objektu, P je tlak vetra a Cd je koeficient odporu vzduchu.

Sila únavy

Výpočet únavovej pevnosti konštrukcie pri axiálnom a ohybovom zaťažení je možné vykonať pomocou analytických metód založených na pomere únavových pevností pre axiálne a ohybové zaťaženie.

Pri týchto metódach sa únavová pevnosť pri rotačnom zaťažení ohybom mení na únavovú pevnosť pri axiálnom zaťažení.

Aby ste zistili, ako funguje analytický model, je možné vykonať aj vysokocyklové únavové testy pri oboch podmienkach zaťaženia.

Modely rovinných napätí môžu byť tiež použité na zistenie toho, ako dlho materiál vydrží, keď sa použije na jeho povrchu, pričom jedno z hlavných napätí je zvyčajne nulové.

Nakoniec, krivky SN možno použiť na nájdenie maximálneho prípustného napätia pri N cykloch a faktora zníženia únavovej pevnosti kf.

Guličkové ložiská a maximálne axiálne zaťaženie

Radiálne guľôčkové ložiská s držiakom (alebo klietkou) sa väčšinou vyrábajú na zvládanie radiálneho zaťaženia, ale dokážu zvládnuť aj axiálne zaťaženie.

Veľkosť axiálneho zaťaženia, ktoré môže pôsobiť na ložisko, závisí od jeho veľkosti a zvyčajne sa udáva ako percento menovitého radiálneho zaťaženia ložiska.

Keď je rozdiel medzi priemerom otvoru a priemerom vonkajšieho krúžku veľký, ložisko môže preniesť axiálne zaťaženie až do 50% radiálneho statického zaťaženia.

Obežné dráhy v ložiskách s tenkým prierezom sú plytšie, čím sú menej schopné zvládnuť axiálne zaťaženie.

Ak ložisko potrebuje zvládnuť veľké axiálne zaťaženie, malo by sa použiť ložisko s kosouhlým stykom.

Tie sú zvnútra vyrobené inak ako guľkové ložiská s hlbokými drážkami, takže zvládnu vyššie axiálne zaťaženia.

Maximálne axiálne zaťaženie guľkových ložísk s určitým vnútorným priemerom závisí od niekoľkých vecí, ako je veľkosť ložiska, hĺbka obežnej dráhy ložiska a či je alebo nie je vystavené veľkému radiálnemu alebo momentovému zaťaženiu.

Veľkosť axiálneho zaťaženia, ktoré môže pôsobiť na ložisko, sa často udáva ako približná hodnota radiálneho zaťaženia ložiska.

SKF poskytuje minimálne axiálne a radiálne zaťaženie pre jednotlivé ložiská a páry ložísk v tandemovej konfigurácii alebo konfigurácii chrbtom k sebe/čelom k sebe.

Najväčšie namáhanie guľôčkových ložísk závisí od toho, ako sú vyrobené vo vnútri.

Axiálne zaťaženie v konštrukciách

Keď sila pôsobí na konštrukciu priamo pozdĺž osi konštrukcie, nazýva sa to axiálne zaťaženie.

Keď existuje bodové zaťaženie, napätie v blízkosti bodu zaťaženia je oveľa vyššie ako priemerné napätie.

To spôsobuje veľmi komplikované deformácie, pretože stavy napätia sú veľmi komplikované.

Normálne napätie a šmykové napätie sú oba spôsoby merania priemerného napätia v priereze.

Bez ohľadu na to, kam sa pozdĺž prierezu pozriete, množstvo napätia je rovnaké.

Bodové zaťaženie je sila zvonku, ktorá je sústredená na malej ploche.

Prípady použitia

Tu je niekoľko spôsobov, ako možno použiť axiálne zaťaženie:

Použité v:	Popis:
Návrh stĺpca	Stĺpy sú skvelým príkladom konštrukčného prvku, ktorý je vyrobený na podporu axiálneho zaťaženia. Napríklad v budovách stĺpy nesú váhu podláh a strechy nad nimi, čo vytvára tlakové axiálne zaťaženie, ktorému musí stĺp odolávať. Axiálne zaťaženie je dôležitá vec, na ktorú treba myslieť pri navrhovaní stĺpov, aby ste sa uistili, že sa pri pôsobení sily neohnú alebo nezlomia.
Mosty	Pri návrhu mostov je veľmi dôležité myslieť aj na osové zaťaženie. Tlakové axiálne zaťaženia sú spôsobené hmotnosťou mosta a vozidiel, ktoré nesie. Most musí byť schopný odolať týmto zaťaženiam. Mosty môžu byť tiež ovplyvnené vecami, ako je vietor, zemetrasenia a premávka, ktoré môžu spôsobiť ohybové momenty a šmykové sily. Na vytvorenie bezpečných a užitočných mostov je dôležité vedieť, ako tieto zaťaženia navzájom pôsobia.
Dizajn veže	Vysoké tlakové axiálne zaťaženia sú kladené na veže, ako sú prenosové veže, veže článkov a veterné turbíny. Pri výrobe týchto konštrukcií musíte okrem iného myslieť na spôsob ich zaťaženia, materiály a výšku a šírku veží. Aby ste sa uistili, že tieto konštrukcie sú bezpečné a dlho vydržia, musíte vedieť, ako ich ovplyvňujú axiálne zaťaženia.
Výroba a testovanie	Axiálne zaťaženie je tiež dôležitým pojmom vo výrobe a testovaní, kde materiály a výrobky musia byť schopné vydržať určité zaťaženie bez toho, aby sa zlomili alebo deformovali. Pomocou testovacích nástrojov, ako sú axiálne snímače zaťaženia, môžete zistiť, koľko axiálneho zaťaženia môže materiál alebo výrobok zniesť, kým sa zlomí.
Letecké aplikácie	Axiálne zaťaženie môže byť veľmi dôležité pri navrhovaní rakiet, rakiet a iných vozidiel na použitie vo vesmíre. Axiálne zaťaženie môže byť spôsobené hmotnosťou vozidla, jeho rýchlosťou alebo vibráciami. Aby boli systémy bezpečné a efektívne, je dôležité vedieť, ako axiálne zaťaženie ovplyvňuje konštrukčné časti vozidla.

Záver

Ako sme videli v tomto článku, axiálne zaťaženie je kľúčovou súčasťou navrhovania a výstavby konštrukcií, ktoré dokážu odolať silám, ktoré na ne pôsobia.

Pri práci s touto dôležitou silou je potrebné myslieť na veľa vecí, od pochopenia jedinečných výziev dlhých tenkých stĺpov až po pridanie axiálnych snímačov zaťaženia do vašej súpravy inžinierskych nástrojov.

Ale axiálne zaťaženie je tiež pripomienkou toho, že strojárstvo je komplikovaná oblasť, ktorá sa neustále mení.

Keď budeme naďalej posúvať hranice toho, čo je možné, budeme nevyhnutne čeliť novým problémom, ktoré si od nás budú vyžadovať kreatívne myslenie a spoločnú prácu pri riešení.

Takže, keď budete nabudúce pracovať s axiálnym zaťažením, majte otvorenú myseľ a buďte pripravení učiť sa.

Kto vie, aké nové veci sú za ďalším rohom?