Пример _1

Как строить расчётную схему для силового элемента конструкции?

Ко мне иногда обращаются с вопросом: «Помогите просчитать прочность того-то, того- то»! Чаще всего это случается, когда прочность «того-то» уже потеряна! Что имеется ввиду? А то, что силовой элемент конструкции, при внешнем воздействии эксплуатационной нагрузки, получил недопустимые остаточные деформации, или разрушился! Часто такое происходит, когда чертежи конструкции не подвергаются прочностной экспертизе. В 60-80 годы в конструкторских бюро существовали отделы прочности. Вся конструкторская документация проходила экспертизу по прочности и потом уходила в производство. Опытные образцы проходили разные испытания и после этого, только, организовывалось серийное производство изделия. Современные производства «экономят» сознательно, или по причине отсутствия нужных специалистов; выпускают ширпотреб, который приходит в негодность, после нескольких раз нагружения изделия в условиях реальной эксплуатации. Дальше рассматриваю «свежий» пример такой конструкции, как детские санки, которые изготавливает один из цехов ВМЗ. Санки купил за 1300 руб. для своего внука. После  примерно 50-ти  циклов нагружения (за цикл принимается: разложить санки, покатать внука примерно 25-30 минут, сложить санки) произошло разрушение (рис.1)

Рис.1. Разрушение детских санок.

Расчётных схем для силового конструктивного элемента можно создавать несколько! Обычно расчётная схема соответствует какому-нибудь случаю нагружения. Здесь мы видим явно два случая нагружения: «раскладка-складка» санок и «езда по пересечённой местности с полезным грузом»!

Рассмотрим второй случай нагружения, как основной (рис.2).

Рис.2. Расчётная схема для детских санок.

Самым тяжёлым расчётным случаем является случай нагружения трубчатого элемента в момент, когда вес G=250Н действует по линии 1, а реакция R,Н передаётся на один полоз и усилие на ручку P,Н смещено соответственно влево или вправо в зависимости от «поворота или препятствия».

Как проводить расчёты прочности?

Уравнение равновесия в моментах:

P ∙ 0.3 = G ∙ 0.75

Усилие P = G∙(0.75/0.3) = 625 Н

Реакция на один полоз R = G + P = 250 + 625 = 875 Н

Изгибающий момент в сечении (а-а) трубы:

М = Р ∙ 0.6 = 625 ∙ 0.6 = 375 Н∙м.

Момент сопротивления сплошного поперечного сечения трубы диаметром 25 мм и толщиной 2мм равен W = 0.48∙ 10^-6 м³.

Максимальные напряжения от изгиба:

σ_max = M/W = 375 Н∙м /0.48∙ 10^-6 м³ = 780МПа

Допустимые по нормам напряжения для алюминия: [σ] = 60-70МПа

Имеем коэффициент запаса прочности  n = [σ]/ σ_max ≈ 0.1 << 1.

Вывод:

Данный силовой элемент, даже если он без отверстий в стенке трубы, не обеспечивает нормативную прочность конструкции, иными словами, нельзя запускать в производство конструкторскую документацию на такую детскую коляску!

Очевидно, если бы КОНСТРУКТОР при разработке конструкции санок учитывал результаты прочностного анализа, санки бы не ломались, что называется сразу после покупки! При прочностной экспертизе необходимо учитывать все основные свойства материала, геометрии, нагружений! Это и является конструктивным подходом при принятии решений по вопросу надёжности проектируемого изделия.