MỞ ĐẦU A.Mục tiêu: + Trình bày được nhiệm vụ và đối tượng nghiên cứu của môn học. + Trình bày được các khái niệm: Vật rắn thực, ngoại lực, nội lực, phương pháp mặt cắt, ứng suất, các biến dạng cơ bản. + Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập. Nội dung chương: 1.
GIỚI THIỆU LỊCH SỬ MÔN HỌC. Từ thế kỷ 18 con người đã có những công trình được xem là sự khởi đầu của môn học Năm 1729 Buyphinghe đưa ra dạng quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng. Sau đó năm 1768 Húc đã đưa ra quy luật cơ bản về vật thể đàn hồi với dạng tuyến tính đồng thời ông đã có những công trình : - Lý thuyết toán học về uốn của thanh đàn hồi của Ơle và Becnuli. - Tính ổn định của Ơle - Dao động ngang của thanh đàn hồi - Nghiên cứu về lý thuyết lực đàn hồi của không khí(Lômônôxốp) Cuối thế kỷ 18 đầu thế kỷ 19 nhà bác học người Pháp Navie xuất phát từ quan điểm về lực tương tác giữa các phần tử của Niu tơn đã đề xuất ra lý thuyết đàn hồi rời rạc.
Năm 1822 Côsi đã đưa ra khái niệm về trạng thái ứng suất tại một điểm và viết các phương trình cân bằng cùng với các biểu thức biểu diễn sự tương quan giữa ứng suất và biến dạng cho vật thể đẳng hướng. Ta có thể kết luận rằng Naviê, Côsi và Ostrogratxki, Poátxông là những người đã đặt nền móng cho lý thuyết đàn hồi toán học. Vào cuối thế kỷ 19 nhu cầu về phát triển công nghiêp đã thôi thúc các nhà khoa học tìm cách tính toán nhanh chóng những bài toán trong thực tế do đó đã phát sinh ra ngành lý thuyết đàn hồi ứng dụng và lý thuyết về sức bền vật liệu. Vào cuối thế kỷ 19 và sang đầu thế kỷ 20 ngành cơ học vật rắn biến dạng đã phát triển vô cùng rộng lớn.
NHIỆM VỤ VÀ ĐỐI TƯỢNG CỦA CƠ HỌC VẬT RẮN BIẾN DẠNG 2. Nhiệm vụ Sức bền vật liệu là môn khoa học nghiên cứu thực nghiệm, khả năng chịu lực và biến dạng của vật thể để đề ra phương pháp tính sao cho các vật thể đủ bền, đủ cứng, đủ ổn định và tiết kiệm vật liệu. - Độ bền: là khả năng chịu lực lớn nhất của chi tiết sao cho chi tiết không bị phá hỏng. 6 - Độ cứng: là khả năng chịu lực lớn nhất của chi tiết sao cho biến dạng không quá lớn làm ảnh hưởng đến điều kiẹn làm việc bình thường - Độ ổn định: Là khả năng chịu lực lớn nhất của chi tiết sao cho chi tiết không bị thay đổi hình dáng hình học trong quá trình làm việc bình thường Sức bền vật liệu đề ra phương pháp tính toán ,lập nên các biểu thức toán học thỏa mãn điều kiện bền, điều kiện cứng và điều kiện ổn định .Xuất phát từ đó Sức bền vật liệu chủ yếu giải quyết 3 dạng bài toán cơ bản: + Bài toán kiểm tra độ bền + Bài toán xác định kích thước hợp lý + Bài toán xác định tải trọng cho hợp lý 2.
Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của bộ môn sức bền vật liệu là vật rắn thực - Vật rắn thực là vật rắn khi có tác dụng của ngoại lực sẽ xảy ra biến dạng và có thể bị phá hỏng a, b, - Vật rắn thực được phân làm 3 dạng cơ bản: + Vật thể dạng khối: Vật thể có kích thước theo ba phương lớn tương đương nhau. (Hình 1-1a) c, + Vật thể dạng thanh: Vật thể có kích Hình 1-1 thước một phương lớn hơn rất nhiều so với phương còn lại. (Hình 1-1b) + Vật thể dạng tấm: Là vật thể mà kích thước hai phương lớn hơn rất nhiều so với phương còn lại, phương có kích thước bé gọi là bề dày. CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU 3.
Các giả thiết về sự liên tục, đồng tính và đẳng hướng *Sự liên tục: Các phần tử vật liệu ở mọi nơi trong vật thể phân bố đều và liên tục .Tức là giữa chúng không có khe hở coi vật thể không có khuyết tật. 7 *Sự đồng tính: Các phần tử vật liệu ở tất cả mọi nơi trong vật thể có cùng tính chất *Sự đẳng hướng: Khả năng chịu lực của các phần tử vật liệu trong vật thể theo mọi hướng đều như nhau 3. Vật liệu có tính đàn hồi hoàn toàn - Tính đàn hồi là khả năng trở về trạng thái ban đầu khi vật có biến dạng do tác dụng của ngoại lực - Đàn hồi hoàn toàn là dưới tác dụng của ngoại lực (ngoại lực phải nằm trong giới hạn đàn hồi của vật) vật thể bị biến dạng, khi thôi tác dụng lực vật thể trở lại y nguyên trạng thái ban đầu (tức là không có biến dạng dư) P Hình 1-3. Giả thuyết này chỉ rõ sức bền vật liệu chỉ nghiên cứu bài toán trong giai đoạn đàn hồi.
Ngoài miền đàn hồi bài toán sẽ được nghiên cứu trong một môn học khác là lý thuyết dẻo. Giả thiết về quan hệ bậc nhất giữa lực tác dụng và biến dạng Khi lực tác dụng còn nằm trong giới hạn đàn hồi của vật thì biến dạng của vật có quan hệ bậc nhất với lực tác dụng gây nên biến dạng đó. * Thí nghiệm thử kéo vật liệu dẻo: Khi lực tác dụng còn nằm trong giới hạn đàn hồi (0 ÷ Ptl)của vật liệu. Biến dạng là đoạn ON.
Trong P giới hạn này ta thấy lực tăng nhanh còn biến dạng tăng rất chậm.Quan hệ giữa lực và biến dạng là Pc B đường cong OA. Do độ cong của OA rất nhỏ nên Ptl ta có thể coi nó là đường thẳng. A Quan hệ giữa lực và biến dạng là quan hệ bậc nhất. Kết luận : Tất cả các loại vật liệu là đối tượng để O N nghiên cứu trong môn sức bền thì nó phải thỏa Δl mãn các giả thiết trên.
Nguyên lý độc lập tác dụng của lực a) Nguyên lý: Tác dụng của hệ lực lên vật bằng tổng các lực thành phần tác dụng lên vật Tức là : Nếu một hệ chịu tác dụng đồng thời của nhiều yếu tố thì có thể khảo sát hệ đó dưới tác dụng của từng yếu tố riêng rẽ rồi cộng các kết quả lại (hình1-5). Ý nghĩa: Một bài toán phức tạp được phân tích thành các bài toán đơn giản và kết quả của bài toán bằng tổng các bài toán đơn giản Nếu vật liệu làm việc ngoài miền đàn hồi thì nguyên lý trên không được áp dụng vì sai số âm. Các yếu tố tác dụng lên hề có thể bao gồm cả goại lực lẫn các tác nhân khác như nhiệt độ, áp suất, v. NGOẠI LỰC –NỘI LỰC - ỨNG SUẤT – HỆ SỐ AN TOÀN 4.
Định nghĩa Ngoại lực là những lực hoặc mô men lực từ vật thể khác hoặc từ môi trường xung quanh tác dụng lên vật thể khảo sát Ngoại lực có hai loại: Tải trọng (lực) tác dụng và phản lực liên kết 4.Phân loại ngoại lực: Định nghĩa: Là ngoại lực tác dụng lên vật thể mà điểm đặt, phương, chiều, trị số đã biết trước. + Phân loại theo hình thức tác dụng: - Tải trọng tập trung: Là những lực hoặc ngẫu lực tác dụng lên vật trên một diện tích rất nhỏ, coi như tác dụng tại một điểm. - Tải trọng phân bố:. Tải trọng phân bố đường (Hình 1-5): q Tải trọng tác dụng lên vật thể theo một đường.l Trong đó : Q : Là độ lớn của hệ lực phân bố q : Lực đơn vị l : độ dài của đoạn thẳng mà hệ lực phân bố Hình 1-6.
Tải trọng phân bố mặt (Hình 1-6): Tải trọng tác dụng lên vật thể trên một mặt nào đó.S Trong đó : Q : Là độ lớn của hệ lực phân bố q q : Lực đơn vị S : diện tích mà hệ lực phân bố. Tải trọng phân bố khối (Hình 1-7): Hình 1-7 Tải trọng tác dụng liên tục trên một khối.V 9 q Trong đó : Q : Là độ lớn của hệ lực phân bố q : Lực đơn vị V : thể tích mà hệ lực phân bố Hình 1-8 + Theo mức độ tác dụng: - Tải trọng tĩnh: Là tải trọng tác dụng lên vật thể có trị số tăng dần từ 0 đến giá trị xác định rồi sau đó không thay đổi nữa. Tải trọng tĩnh thường gặp như: trọng lượng, và các phản lực - Tải trọng động: Là tải trọng có trị số, phương, chiều hoặc điểm đặt liên tục thay đổi theo thời gian và làm cho vật thể chuyển động có gia tốc. Phản lực liên kết Định nghĩa: Phản lực liên kết là lực , mômen do vật gây liên kết gây ra để chống lại chuyển động hay xu hướng chuyển động của vật khảo sát.
*Một số liên kết phẳng thường sử dụng: - Liên kết gối di động : Đây là một loại liên kết đơn, trong mặt phẳng nó chỉ hạn chế một dịch chuyển thẳng. Các liên kết thực tế như ổ bi đỡ lòng cầu, ụ con lăn di động, v. Khi sơ đồ hoá đều đưa về dạng gối này. Gối có một thành phần phản lực liên kết Y Y P Hình 1-9.
Liên kết gối di động - Liên kết gối cố định: Là loại liên kết hạn chế hai dịch chuyển thẳng (trong không gian hai chiều) và 3 dịch chuyển thẳng (trong không gian ba chiều). Ví dụ: như các ụ con lăn cố định dưới các nhịp cầu, các ổ bi đỡ chặn trong máy công cụ, v. Ký hiệu gối cố định chỉ ra trên hình 1-10.Gối có hai thành phần phản lực liên kết Y, Z Y P Z Hình 1-10. Liên kết gối cố định - Liên kết ngàm: Là loại liên kết hạn chế hoàn toàn sáu bậc tự do của hệ.
Ví dụ liên kết giữa chân cột và mặt đất, liên kết giữa các dầm đỡ hành lang với tường nhà, v. ký hiệu ngàm chỉ ra trên hình 1-11. Liên kết ngàm có ba thành phần phản lực liên kết Y, Z, M 10 Y P Z M Hình 1-11. Liên kết ngàm c.
Phân loại tải trong. Tải trọng được phân thành tải trọng tĩnh và tải trọng động. + Tải trọng tĩnh là tải trọng mà giá trị của nó tăng dần từ không đến một trị số xác định trong quá trình đó gia tốc chuyển động của các chất điểm là không đáng kể và có thể bỏ qua. + Tải trọng động là tải trọng tác dụng lên hệ làm cho các chất điểm của hệ chuyển động có gia tốc hoặc có xuất hiện lực quán tính.
- Tải trọng động mà trị số thay đổi rất nhanh trong một khoảng thời gian nhỏ được gọi là tải trọng va chạm. - Tải trọng mà phương chiều, độ lớn đã biết còn điểm đặt. Thay đổi được gọi là tải trọng di động.