Теоретическое обоснование. Многие детали и элементы конструкций в процессе эксплуатации испытывают деформации сдвига

Многие детали и элементы конструкций в процессе эксплуатации испытывают деформации сдвига. Деформация сдвига возникает тогда, когда внешние силы F, действующие на элемент, расположены в одной плоскости или в параллельных плоскостях на малом расстоянии друг от друга и направлены в противоположные стороны (рис. 1).

_F F

Рис. 1. Схема нагружения элемента конструкции, работающего на сдвиг

Сдвигом называется перемещение какого-либо сечения в его плоскостиотносительно другого, параллельного ему сечения. Чистым сдвигом называется такой вид нагружения, когда в сечении возникают лишь

касательные напряжения t.

Явление сдвига наиболее часто встречается в элементах, соединяющих между собой отдельные части конструкций. К таким соединениям относятся: заклёпочные, болтовые, шпоночные, штифтовые соединения, сварные швы, деревянные врубки и др.

На рис. 2, а схематично изображено заклёпочное соединение. Как видно из рисунка 2, б деформацию сдвига в чистом виде осуществить внешними воздействиями затруднительно, так как она почти всегда сопровождается изгибом и другими видами деформаций. На участках заклёпки, расположенных вблизи плоскостей А и В, происходит сдвиг одних её частей относительно других в направлении перпендикулярном оси заклёпки. Вместе с этим происходит изгиб и смятие заклёпки. Как правило, подобные соединения рассчитывают не только на сдвиг, но и на смятие с определением напряжений смятия σ см.

При достижении внешними силами критических значений сложное явление деформаций сдвига, изгиба и смятия завершается перерезыванием заклепки – происходит двойной срез.

При перерезывании полосы ножницами срез происходит по одной плоскости и сопровождается деформацией смятия (рис. 2, в).

Рис 2. Схема явления сдвига: а – работа заклёпочного соединения; б – деформация заклёпки; в – срез по одной плоскости

При анализе деформаций сдвига различают понятия среза и скалывания. Термин «срез» преимущественно применяется при описании сдвига пластичных материалов. Деформация среза приводит к вязкому разрушению материала. Термин «скалывание» применяется для хрупких материалов, а также для волокнистых, например деревянных материалов при сдвиге вдоль волокон.

Испытания материалов на сдвиг проводятся на универсальных машинах. Испытуемый образец помещается в специальное приспособление, конструкция которого зависит от формы и размеров образца, а также от способа приложения нагрузки и устройства рабочих органов машины.

F

Рис. 3. Схема испытания металлических материалов на двойной срез: а – приспособление для испытания образцов; б – деформация и разрушение образца

Для испытания на срез металлических материалов используют образцы из проволоки диаметром d = 3 ¸ 10 мм. При испытании на двойной срез используют приспособление, схематично изображенное на рис. 3.

При испытаниях на сдвиг определяют максимальную нагрузку Fmax, вызвавшую разрушение образца. По результатам испытаний определяют

условный предел прочности материала при срезе t в^ср. Принимаетсядопущение, что при сдвиге касательные напряжения равномерно распределяются по сечениям в плоскостях среза. Тогда условный предел прочности материала можно определить по формуле:

t в^ср = Fmax / Sср,

где Sср – общая площадь сечений, по которым происходит перерезывание образца. Она зависит от количества плоскостей среза.

Для многих металлических материалов между условным пределом прочности на срез t в^ср и условным пределом прочности на растяжение s в^рас существует следующая зависимость:

t в^ср = (0, 6 ÷ 0, 8) ∙ s в^рас.

Испытания деревянных материалов на сдвиг проводятся с использованием специальных приспособлений. Различают испытания на скалывание, когда нагрузка действует вдоль волокон образца (рис. 4), а также испытания на срез, когда нагрузка направлена поперёк волокон (рис. 5).

F

Образец

а б

Рис. 4. Испытание деревянных материалов на скалывание: а – образец;

б – приспособление для испытания

В процессе испытаний определяется максимальная нагрузка Fmax, приводящая к разрушению образцов. По результатам испытаний определяют

условный предел прочности древесины при скалывании τ в^ск, и условный предел прочности материала при срезе τ в^ср:

τ в^ск = Fmax / Sск и τ в^ср = Fmax / Sср,

где Sск – площадь сечения образца, по которому происходит скалывание, Sср – площадь сечения образца, по которому происходит срез.

а б

Рис. 5. Испытание образцов древесных материалов на срез: а – образец; б – приспособление для испытания