§ 10. Напряжения в точке

Зная компоненты напряжений в любой точке пластинки в условиях плоского напряженного состояния или плоской деформации, можно найти из уравнений статики напряжения на любой наклонной по отношению к осям х и у плоскости (площадке), проходящей через эту точку перпендикулярно пластинке. Обозначим через Р некоторую точку в напряженной пластинке и допустим, что компоненты напряжения известны (рис. 12). На малом расстоянии от Р проведем плоскость параллельную оси так, чтобы эта плоскость вместе с координатными плоскостями вырезала из пластинки очень малую треугольную призму Поскольку напряжения изменяются по объему тела непрерывно, то при уменьшении размеров вырезанного элемента напряжение, действующее на площадке будет стремиться к напряжению на параллельной площадке, проходящей через точку Р.

Рис. 12.

При рассмотрении условий равновесия малой треугольной призмы объемными силами можно пренебречь как величинами высшего порядка малости. Подобным образом, если вырезанный элемент очень мал, можно пренебречь изменениями напряжений по граням и предположить, что напряжения распределены равномерно. Тогда силы, действующие на треугольную призму, можно определить путем умножения компонент напряжений на площади граней. Пусть — направление нормали к плоскости а косинусы углов между нормалью и осями х и у обозначаются следующим образом:

Тогда, если через А обозначить площадь грани элемента, то площади двух других граней будут .

Если обозначить через X и компоненты напряжений, действующих на грани то условия равновесия призматического элемента приводят к следующим соотношениям:

Таким образом, компоненты напряжений на любой площади, определяемой направляющими косинусами и можно легко найти из соотношений (12), если известны три компоненты напряжения в точке Р.

Обозначим через а угол между нормалью к площадке и осью х, так что тогда из соотношений (12) для нормальной и касательной компоненты напряжений на площадке получим формулы:

Очевидно, угол можно выбрать таким образом, чтобы касательное напряжение на площадке стало равным нулю. Для этого случая получаем

или

Из этого уравнения можно найти два взаимно перпендикулярных направления, для которых касательные напряжения на соответствующих площадках равны нулю. Эти направления называются главными, а соответствующие нормальные напряжения — главными нормальными напряжениями.

Если за главные направления принять направления осей х и у, то компонента равна нулю и формулы (13) принимают более простой вид

Изменение компонент напряжений а и в зависимости от угла а можно легко представить графически в виде диаграммы в координатах а и Каждой ориентации площадки соответствует точка на этой диаграмме, координаты которой представляют собой значения напряжений действующих на этой площадке. Такая диаграмма представлена на рис. 13. Для площадок, перпендикулярных к главным направлениям, мы получаем точки А и В с абсциссами соответственно. Теперь можно

доказать, что компоненты напряжения для любой площадки определяемой углом а (рис. 12), будут представляться координатами некоторой точки на окружности, для которой отрезок А В является диаметром. Чтобы найти эту точку, достаточно отмерить от точки А в том же направлении, в каком измеряется угол а на рис. 12, дугу, отвечающую углу . Для координат построенной таким образом точки D из рис. 13 получим

Сравнение с формулами (13) показывает, что координаты точки D дают численные значения компонент напряжения на площадке определяемой углом а. Чтобы привести в соответствие знак касательной компоненты, примем, что положительные значения откладываются вверх (рис. 13, а), и будем считать касательные напряжения положительными, когда они дают момент, действующий по направлению часовой стрелки, как это имеет место на гранях элемента (рис. 13, б). Касательные напряжения противоположного направления, например действующие на гранях элемента, считаются отрицательными.

Рис. 13.

Будем менять ориентацию площадки вращая ее вокруг оси, перпендикулярной плоскости (рис. 12) по направлению часовой стрелки так, что угол а будет изменяться от 0 до при этом точка D на рис. 13 будет перемещаться от А к В. Таким образом, нижняя половина круга определяет изменение напряжений для всех значений а в этих пределах. В свою очередь верхняя часть круга дает напряжения для интервала

Продолжая радиус до точки (рис. 13), т. е. беря угол равным вместо , получаем напряжения на площадке, перпендикулярной площадке (рис. 12). Отсюда видно, что касательные напряжения на двух взаимно перпендикулярных площадках численно друг другу равны, как это и было доказано ранее. Что касается нормальных напряжений, то мы видим из

рисунка, что т. е. сумма нормальных напряжений, действующих на двух взаимно перпендикулярных площадках, при изменении угла а остается постоянной.

Максимальное касательное напряжение ттах дается на диаграмме (рис. 13) максимальной ординатой окружности, т. е. равно радиусу окружности. Отсюда

Оно действует на площадке, для которой т. е. на площадке, нормаль к которой делит пополам угол между двумя главными направлениями.

Соответствующая диаграмма может быть построена и для случая, когда одно или оба главных напряжения отрицательны, т. е. для случая сжатия. Нужно только величину сжимающего напряжения откладывать в сторону отрицательных абсцисс. На рис. 14, а изображена диаграмма для случая, когда оба главных напряжения отрицательны, на рис. 14, б построена диаграмма для случая чистого сдвига.

Из рис. 13 и 14 видно, что напряжение в любой точке можно разложить на две части. Одна из них представляет собой двухосное растяжение (или сжатие), две компоненты которого равны между собой и по величине определяются абсциссой центра круга Мора.

Рис. 14.

Другая часть представляет собой чистый сдвиг с касательным напряжением, величина которого дается радиусом круга. При наложении нескольких плоских напряженных состояний равномерные растяжения (или сжатия) можно складывать друг с другом алгебраически. При наложении состояний чистого сдвига нужно учитывать направления плоскостей, на которые действуют соответствующие касательные напряжения. Можно показать, что при наложении друг на друга двух напряженных состояний чистого сдвига, для которых плоскости максимального касательного напряжения находятся под углом друг к другу, получающаяся в результате система сведется к другому случаю чистого сдвига. Например, рис. 15 показывает как определять напряжение, производимое двумя состояниями чистого сдвига с величинами касательных напряжений и на площадке, положение которой определяется углом Первое из этих состояний относится к плоскостям (рис. 15, а), а второе — к плоскостям, наклоненным к плоскостям

под углом (5 (рис. 15, б). На рис. 15, а координаты точки D представляют касательное и нормальное напряжения на площадке для. первой системы, тогда как координаты точки (рис. 15, б) дают напряжения на этой площадке для второй системы.

Рис. 15.

Складывая геометрически векторы получаем результирующее напряжение на этой площадке, вызываемое одновременным действием двух систем, а координаты точки дают нам касательное и нормальное напряжения. Следует заметить, что величина не зависит от угла а. Следовательно, в результате наложения двух состояний чистого сдвига мы получаем круг Мора для нового состояния чистого сдвига, для которого величина касательного напряжения дается вектором а плоскости максимального касательного напряжения наклонены к плоскостям на угол, равный половине угла

Рис. 16.

Диаграмма, подобная изображенной на рис. 13, может также использоваться для определения главных напряжений, если известны компоненты для любых двух взаимно перпендикулярных площадок (рис. 12). В этом случае следует начать с построения двух точек D представляющих напряжения на двух координатных плоскостях (рис. 16). Таким путем находится диаметр круга. После построения круга главные напряжения находятся по точкам пересечения окружности

с осью абсцисс. Из рисунка находим

Максимальное касательное напряжение определяется радиусом круга, т. е. по формуле

Таким путем можно получить все необходимые характеристики распределения напряжений в любой точке, если известны три компоненты напряженного состояния