Razumevanje Aksialne Obremenitve V Tehniki

Kot študent strojništva ali inženir veste, kako pomembno je, da konstrukcije prenesejo različne vrste obremenitev.

Toda ali ste kdaj razmišljali o edinstvenih težavah, ki jih predstavlja osna obremenitev? V nasprotju s strižno silo, torzijsko obremenitvijo in upogibno obremenitvijo aksialna obremenitev deluje neposredno vzdolž osi konstrukcije.

To pomeni, da je treba pri načrtovanju, gradnji in vzdrževanju struktur upoštevati povsem nov niz stvari.

V tem članku se bom podrobno seznanil z aksialno obremenitvijo in zajel vse, kar morate vedeti za gradnjo struktur, ki lahko prenesejo to pomembno silo.

Zato se pripnite in začnimo!.

Uvod v aksialno obremenitev

Formalna opredelitev:

Sila, katere rezultanta poteka skozi središče določenega preseka in je pravokotna na ravnino preseka.

Aksialna obremenitev je vrsta obremenitve, ki pritiska na konstrukcijski element vzdolž njegove osi.

Za razliko od strižne sile, torzijske obremenitve in upogibne obremenitve aksialna obremenitev ustvari večjo tlačno napetost kot napetostna ali strižna sila.

Strižna sila, torzijska obremenitev in upogibna obremenitev: razlike

Strižna sila povzroči širjenje napetosti vzdolž ravnine predmeta, medtem ko torzijska obremenitev povzroči širjenje napetosti okoli vzdolžne osi predmeta.

Ko je obremenitev upognjena, ustvari normalno napetost in prečno strižno napetost.

Normalna napetost vključuje tako aksialno kot prečno napetost, medtem ko prečna strižna napetost vključuje torzijsko in prečno strižno napetost.

Pomen aksialne obremenitve

Aksialne obremenitve so pomembne, ker lahko spremenijo strukturo implantata in kosti okoli njega.

V inženirstvu je osna obremenitev zelo pomemben del izdelave stebrov, nosilcev in rešetk.

V biomehaniki lahko aksialne obremenitve spremenijo premikanje kosti, kar lahko med drugimi poškodbami povzroči zlome ali zamenjave sklepov.

Zaradi tega je tako v tehniki kot v medicini pomembno razumeti, kako deluje aksialna obremenitev.

Razlika med aksialno obremenitvijo in prečno obremenitvijo

Nasvet: Vklopite gumb za napise, če ga potrebujete. V gumbu z nastavitvami izberite »samodejno prevajanje«, če niste seznanjeni z angleškim jezikom. Morda boste morali najprej klikniti jezik videoposnetka, preden postane vaš najljubši jezik na voljo za prevod.

Konstrukcijski nosilci in aksialne obremenitve

Nosilci in stebri sta dve pogosti vrsti strukturnih členov, ki so večinoma izdelani za prenašanje osnih obremenitev.

Nosilci: značilnosti in uporaba

Nosilci so strukturni elementi, ki so izdelani za prenašanje osnih sil v svojih členih.

Te sile so lahko natezne, kompresijske ali reverzibilne natezne/stisnjene, odvisno od najslabših obremenitev in kombinacij obremenitev.

Nosilni členi porabijo manj materiala za podporo enake teže.

Zaradi tega so odlični za mostove ali strehe, ki morajo biti močne, vendar ne pretežke.

Toda nosilci se lahko prosto gibljejo in lahko prenašajo bremena le v eno smer.

To pomeni, da niso dovolj močni, da bi vzdržali obremenitve, ki se premikajo od strani do strani ali se upogibajo.

Stolpci: Značilnosti in aplikacije

Stebri so navpični deli jeklenih gradbenih okvirjev, ki držijo talne nosilce ali tla, ki so izpostavljena velikim aksialnim tlačnim obremenitvam.

Večinoma so izdelani tako, da so odporni na tlačne osne obremenitve, odvisno od njihove postavitve in izdelave pa tudi na upogibne in strižne sile.

Stebri so lahko okrogli, kvadratni ali pravokotni, med drugim pa so lahko iz betona, jekla ali lesa.

Elementi okvirja: značilnosti in aplikacije

Nosilci in stebri lahko po svoji dolžini prenašajo tako prečne kot osne obremenitve, odvisno od tega, kako so postavljeni in izdelani.

Pogosto se uporabljajo za pritrditev tal, streh in sten v gradbenih projektih.

Toda za razliko od nosilcev okvirjev ni treba podpirati samo osnih obremenitev; podpirajo tudi prečne obremenitve.

Določanje največje aksialne obremenitve

Pri gradnji konstrukcije je pomembno vedeti, koliko osne obremenitve prenese določen element ali konstrukcija.

Izračun največje aksialne obremenitve za stebre

Če želite izvedeti, koliko osne obremenitve lahko prenese steber, lahko ugotovite njegov KL/r in nato v tabeli poiščete vrednost cFcr.

Napetost v prečnem prerezu stebra je mogoče najti z uporabo enačbe AP=f, kjer se predpostavlja, da je f enak po vsem prerezu.

Znano je, da je uklon mejno stanje odpovedi za stebre in enačba podaja kritično uklonsko obremenitev Pcr za stebre (3.1).

Če pa želite v celoti ugotoviti kritično upogibno obremenitev za dani steber, potrebujete več enačb in metod, načrtovanje pa mora upoštevati, kako se steber konča in lastnosti materiala.

Približna največja nosilnost

Izdelava jeklene zasnove in ogled razmerja medsebojnega delovanja je dober način, da dobite grobo predstavo o največji teži, ki jo lahko nosi član.

Interakcijsko razmerje je razmerje med največjo težo, ki jo član lahko nosi, in količino teže, ki jo dejansko nosi.

Recipročna vrednost tega razmerja vam pove, koliko dodatne teže lahko nosi vsak član, preden se zlomi.

Pomembno je vedeti, da ta metoda daje samo oceno.

Dejanska največja obremenitev, ki jo lahko prenese član, je lahko nižja ali višja od izračunane vrednosti.

Oblikovanje za največjo aksialno obremenitev

Pri načrtovanju konstrukcij se velikost elementov okvirno določi na podlagi arhitekturnih risb in drugih ustreznih dokumentov, njihove teže pa se določijo z uporabo informacij iz večine kodeksov in druge gradbene literature.

Toda strukture morajo biti zgrajene tako, da prenesejo kritično obremenitev, ki je največja obremenitev, ki bi lahko delovala nanje.

To naredimo tako, da seštejemo vse obremenitve, ki bi jih lahko nosila konstrukcija v svoji življenjski dobi.

To vključuje žive in lastne obremenitve ter obremenitve, ki jih povzročajo veter, potresi in druge možne obremenitve.

Kritična obremenitev v dolgih vitkih stebrih

Kritična obremenitev je največja aksialna teža, ki jo steber lahko prenese, preden se začne upogibati.

Eulerjeva formula: Izračun kritične obremenitve

Za določitev kritične obremenitve lahko uporabimo Eulerjevo formulo: Pcr = (2EI)/(KL)2, kjer je Pcr Eulerjeva kritična obremenitev, E Youngov modul elastičnosti, I najmanjši drugi moment površine prečnega prereza steber (vztrajnostni moment površine), K je faktor dejanske dolžine stebra in L je nepodprta dolžina stebra.

Pomen kritične obremenitve

Kritična obremenitev je pomembna za ugotavljanje, kako dolgi, tanki stebri reagirajo na aksialno tlačno silo, ker ni odvisna od tega, kako močan je material.

To pomeni, da morajo biti inženirji pri gradnji tankih struktur, ki bi se lahko upognile, še posebej pozorni na razmerje vitkosti, ki je dolžina stebra, deljena z njegovim najmanjšim polmerom vrtenja.

Visoko razmerje vitkosti pomeni, da je večja verjetnost, da bodo majhne kompresijske obremenitve povzročile zlom strukture.

Upogibanje se zgodi, ko se ravni steber, ki je stisnjen po svoji dolžini, nenadoma upogne. To je mejno stanje napake za stolpce.

Aksialne obremenitvene celice in njihove aplikacije

Tehtalne celice, ki merijo silo vzdolž ene same osi, se imenujejo aksialne tehtalne celice.

Načelo delovanja aksialnih obremenitvenih celic

Aksialne tehtalne celice delujejo tako, da silo, ki deluje nanje, spremenijo v električni signal, ki ga je mogoče prebrati in zapisati.

Uporabljajo merilnike napetosti, da izmerijo, koliko aksialna obremenitev spremeni obliko nečesa.

Ko na tehtalno celico vzdolž njene osi deluje sila, se merilniki napetosti upognejo, kar spremeni njihov upor.

Sprememba upora se nato spremeni v električni signal, ki ga je mogoče izmeriti.

Uporaba aksialnih obremenitvenih celic

Aksialno nameščene tehtalne celice se uporabljajo na številnih področjih, kot so vesoljska industrija, avtomobilska industrija in proizvodnja.

Nekateri običajni načini uporabe aksialnih obremenitvenih celic so:

• Merjenje sile na konstrukcijske dele zgradb in mostov, kot so tramovi in ​​stebri, med gradnjo ali uporabo.
• Preizkušanje uporablja, kot je ugotavljanje, koliko sile je potrebno, da nekaj stisnemo ali raztegnemo, ali koliko sile je potrebno, da nekaj zlomimo ali deformiramo.
• Spremljajte stvari, kot so hidravlične stiskalnice, žerjavi in ​​dvigala, da zagotovite njihovo varno delovanje.
• Več bom naštel na dnu tega članka.

Drugi vidiki aksialne obremenitve

Aksialna obremenitev vetra

Aksialna obremenitev vetra je sila, ki jo ima tok vetra na zgradbo.

V preteklosti so zaradi vetra, zlasti na obalnih območjih, padle številne zgradbe.

Gradbeni inženirji uporabljajo spremenjeno enačbo 2.2 ASCE 7-16, ki upošteva višino konstrukcije nad nivojem tal in kako pomemben je za življenja in lastnino ljudi, da ugotovijo hitrost in pritisk vetra na različnih višinah nad nivojem tal.

Gradbeni inženirji uporabljajo formulo, ki upošteva stvari, kot so predvideno območje, tlak vetra, koeficient zračnega upora, koeficient izpostavljenosti, odzivni faktor sunka in faktor pomembnosti, da ugotovijo aksialno obremenitev vetra.

Ena formula je F = A x P x Cd, kjer je F sila ali obremenitev vetra, A je projicirana površina predmeta, P je pritisk vetra in Cd je koeficient upora.

Utrujenost Trdnost

Izračun utrujalne trdnosti konstrukcije pri osnih in upogibnih obremenitvah se lahko izvede z analitičnimi metodami, ki temeljijo na razmerju med utrujalno trdnostjo pri osni in upogibni obremenitvi.

Pri teh metodah se utrujenostna trdnost pod rotacijsko upogibno obremenitvijo spremeni v utrujenostno trdnost pod aksialno obremenitvijo.

Da bi ugotovili, kako deluje analitični model, je mogoče izvesti tudi visokociklične preskuse utrujenosti pri obeh pogojih obremenitve.

Prav tako je mogoče uporabiti modele ravninskih napetosti, da ugotovimo, kako dolgo bo zdržal material, če ga uporabimo na svoji površini, kjer je ena od glavnih napetosti običajno enaka nič.

Nazadnje, krivulje SN se lahko uporabijo za iskanje največje dovoljene napetosti pri N ciklih in faktorja zmanjšanja trdnosti ob utrujenosti kf.

Kroglični ležaji in največja aksialna obremenitev

Radialni kroglični ležaji z zadrževalnikom (ali kletko) so večinoma narejeni za radialne obremenitve, lahko pa tudi za aksialne obremenitve.

Količina aksialne obremenitve, ki jo lahko prenesete na ležaj, je odvisna od njegove velikosti in je običajno podana kot odstotek nazivne radialne obremenitve ležaja.

Ko je razlika med premerom izvrtine in premerom zunanjega obroča velika, lahko ležaj prenese aksialne obremenitve, ki znašajo do 50 % radialne statične obremenitve.

Dirkalne poti v ležajih s tankim prerezom so plitvejše, zaradi česar slabše prenašajo osne obremenitve.

Kotni ležaj je treba uporabiti, če mora ležaj prenašati veliko osno obremenitev.

Ti so v notranjosti izdelani drugače kot kroglični ležaji z globokimi utori, zato lahko prenesejo večje aksialne obremenitve.

Največja aksialna obremenitev za kroglične ležaje z določenim notranjim premerom je odvisna od več stvari, kot so velikost ležaja, globina vodila ležaja in ali je izpostavljen velikim radialnim ali momentnim obremenitvam ali ne.

Količina aksialne obremenitve, ki jo lahko prenesemo na ležaj, je pogosto podana kot približek nazivne radialne obremenitve ležaja.

SKF zagotavlja minimalne aksialne in radialne obremenitve za posamezne ležaje in ležajne pare, ki so nameščeni v tandemu ali konfiguracijah hrbet ob hrbtu/lice v oči.

Največja obremenitev krogličnih ležajev je odvisna od njihove notranje izdelave.

Aksialne obremenitve v konstrukcijah

Ko na konstrukcijo deluje sila neposredno vzdolž osi konstrukcije, se to imenuje aksialna obremenitev.

Ko obstaja točkovna obremenitev, je napetost v bližini točke obremenitve veliko višja od povprečne napetosti.

To povzroča zelo zapletene deformacije, ker so napetostna stanja zelo zapletena.

Normalna napetost in strižna napetost sta oba načina za merjenje povprečne napetosti v prerezu.

Ne glede na to, kam vzdolž prečnega prereza pogledate, je količina napetosti enaka.

Točkovna obremenitev je sila od zunaj, ki je koncentrirana na majhnem območju.

Primeri uporabe

Tukaj je nekaj načinov, kako bi lahko uporabili aksialno obremenitev:

Uporablja se v:	Opis:
Oblikovanje stolpca	Stebri so odličen primer konstrukcijskega elementa, ki je narejen za podporo osnih obremenitev. Na primer, v zgradbah stebri podpirajo težo nadstropij in strehe, kar ustvarja tlačno osno obremenitev, ki jo mora steber vzdržati. Aksialna obremenitev je pomembna stvar, o kateri morate razmišljati pri načrtovanju stebrov, da zagotovite, da se pod silo ne bodo upognili ali zlomili.
Mostovi	Pri načrtovanju mostov je zelo pomembna stvar, ki jo je treba upoštevati tudi osno obremenitev. Tlačne osne obremenitve povzročajo teža mostu in vozil, ki jih nosi. Most mora prenesti te obremenitve. Na mostove lahko vplivajo tudi stvari, kot so veter, potresi in promet, ki lahko povzročijo upogibne momente in strižne sile. Za izdelavo varnih in uporabnih mostov je pomembno vedeti, kako te obremenitve medsebojno delujejo.
Oblikovanje stolpa	Visoke tlačne aksialne obremenitve so izpostavljene stolpom, kot so prenosni stolpi, celični stolpi in vetrne turbine. Pri izdelavi teh konstrukcij morate med drugim razmišljati o načinu obremenitve, materialih ter višini in širini stolpov. Če želite zagotoviti, da so te strukture varne in dolgotrajne, morate vedeti, kako aksialne obremenitve vplivajo nanje.
Izdelava in testiranje	Aksialna obremenitev je prav tako pomemben koncept v proizvodnji in testiranju, kjer morajo biti materiali in izdelki sposobni prenesti določene obremenitve, ne da bi se zlomili ali deformirali. Z orodji za testiranje, kot so aksialne obremenitvene celice, lahko ugotovite, koliko aksialne obremenitve lahko prenese material ali izdelek, preden se zlomi.
Aerospace Applications	Aksialne obremenitve so lahko zelo pomembne pri načrtovanju raket, izstrelkov in drugih vozil za uporabo v vesolju. Aksialne obremenitve lahko povzročijo teža vozila, njegova hitrost ali tresljaji. Za izdelavo varnih in učinkovitih sistemov je pomembno vedeti, kako aksialne obremenitve vplivajo na strukturne dele vozila.

Zaključek

Kot smo videli v tem članku, je aksialna obremenitev ključni del načrtovanja in gradnje struktur, ki lahko prenesejo sile, ki delujejo nanje.

Pri delu s to pomembno silo je treba razmišljati o številnih stvareh, od razumevanja edinstvenih izzivov dolgih, tankih stebrov do dodajanja aksialnih obremenitvenih celic v vaš komplet inženirskih orodij.

Toda aksialna obremenitev je tudi opomnik, da je inženiring zapleteno področje, ki se vedno spreminja.

Ko bomo še naprej premikali meje možnega, se bomo neizogibno soočili z novimi problemi, ki bodo od nas zahtevali kreativno razmišljanje in sodelovanje pri reševanju.

Torej, naslednjič, ko boste delali z aksialno obremenitvijo, bodite odprti in bodite pripravljeni na učenje.

Kdo ve, kaj je novega za naslednjim vogalom?