Распределение напряжений в соединениях

Распределение напряжений в соединениях

Поскольку в задачи соединения входит передача нагрузки от одного элементаконструкции к другому, то и напряжение должно каким-то образом перейтиот одного из присоединяемых элементов на другой. В таком случае весьмавозможны сильная концентрация напряжений, а отсюда и угроза разрушенияматериала. Однако можно сделать так, чтобы напряжения переходили от одногоиз присоединяемых элементов к другому с возникновением только небольшойконцентрации напряжений или вовсе без нее, как это происходит в случаекосого соединения на клею деревянных брусьев (рис. 36) и в случае соединениядвух кусков металла встык сварным швом (рис. 37).

Рис. 36. Косое клеевое соединение деревянных брусьев.

Рис. 37. Сварное соединение двух металлических брусков встык.

Однако использование таких соединений отнюдь не всегда оказывается практичным,и соединение двух планок или пластинок внахлест, как правило, тоже частонаходит применение. Но именно расположение соединяемых элементов внахлестсразу приводит к значительной концентрации напряжений, и почти не играетроли, какими средствами оно выполнено, с помощью ли клея, гвоздей, винтов,сварки, болтов или заклепок. Во всех случаях наибольшая интенсивность передачинагрузки приходится на концы соединения (рис. 38).

Рис. 38. Распределение касательных напряженийв соединении внахлест.

По этой причине прочность подобных соединений зависит главным образомот ширины соединяемых пластинок и почти не зависит от длины взаимного ихперекрытия. В связи с этим уже наиболее простые и обычные формы сварныхи заклепочных соединений двух металлических пластинок (рис. 39 и 40) сравнительноэффективны, а их усложнение не дает большого выигрыша.

Рис. 39. Заклепочное соединение внахлест.

Рис. 40. Сварное соединение внахлест.

Очень часто требуется закрепить растягиваемый сгержень в отверстии или как-тоиначе на твердой опоре. В этом случае происходит то же, что и при соединениивнахлест, с той разницей, что здесь концентрация напряжений возникает только водном месте – обычно там, где стержень входит в углубление (рис. 41). Если,например, стержень ввинчивается в опору, то почти вся нагрузка приходится напоследние две или три нитки резьбы, и любое увеличение длины нарезки почтиничего не дает. Поэтому те усилия, которые должен приложить дрозд, чтобывытащить червяка из грунта, не зависят от длины червяка: вытащить короткогочервяка столь же трудно, как и длинного.

Рис. 41.

Распределение напряжений такого типа, как представлено на рис. 41, возникает,если оба элемента соединения имеют близкие модули Юнга. Обычно так обстоитдело при соединении металла с металлом. Подобное же распределение напряженийвозникает в случаях, когда материал стержня или растягиваемого бруска менеежесток, чем материал основы, в которой они закреплены (случай с вытягиваемымиз земли червем). Если же, наоборот, материал стержня существенно болеежесток, чем материал основы, то ситуация с распределением напряжений обратнапредыдущей, и концентрация напряжений происходит главным образом вблизиконца стержня или другого включения (рис. 42).

Рис. 42. Передача нагрузки от стержня к заделке.

На практике оба случая концентрации напряжений в равной степени делаютсоединение непрочным. Возможно, существует такое соотношение между модулямиЮнга материала включения и окружающего материала, при котором распределениенапряжений в соединении будет оптимальным. Но если это и так, то его оченьтрудно обеспечить на практике.

Одно время я занимался разработкой узлов крепления крыла из армированногопластика с металлическим фюзеляжем самолета. Хотя мне было хорошо известноо существовании концентраций напряжений, о червяках в земле и многом прочем,у меня хватило глупости, чтобы для начала заформовать в тело крыла прочныепроволочные тросы, распадающиеся на концах на отдельные запутанные проволочки.Когда образцы этой плохо продуманной конструкции растянули в испытательноймашине, проволочки стали вытягиваться из пластика одна за другой с характернымтреском, хотя нагрузки были смехотворно малыми. В следующем экспериментевместо тросов в пластик были заделаны покрытые предварительно подходящимклеем суживающиеся на концах стальные зубцы, похожие на клинки или сабли(рис. 43). На этот раз образцы разрушались, издавая не продолжительныйтреск, а один громкий короткий хлопок; происходило это при столь же малыхнагрузках.