Kỹ thuật chế tạo máy potx

24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

1
ỨNG SUẤT VÀ BÀI TOÁN
THIẾT KẾ
Chưong 1
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

2
• Ứng suất pháp trên mỗi ñiểm có thể không bằng
với ứng suất trung bình, tuy nhiên tổng ứng suất
trên tiết diện phải bằng với lực dọc tác dụng
∫∫
=
=
=
A
ave
dAdFAP
σ
σ
Ứng suất pháp (normal stress)
A
P
A
F
ave
A
=
∆

∆
=
→
∆
σσ
0
lim
• Trong tr
ườ
ng h
ợ
p n
ộ
i l
ự
c trong m
ặ
t c
ắ
t
ch
ỉ
có m
ộ
t thành ph
ầ
n n
ằ
m vuông góc
v

ớ
i m
ặ
t c
ắ
t,
ứ
ng su
ấ
t gây ra ch
ỉ
có
ứ
ng
su
ấ
t pháp
• Phân b
ố
chi ti
ế
t c
ủ
a
ứ
ng su
ấ
t không th
ể
ñượ

c xác
ñị
nh ch
ỉ
d
ự
a vào t
ĩ
nh h
ọ
c
thu
ầ
n tuý.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

3
• N
ế
u m
ộ
t thanh ch
ị
u l
ự
c l
ệ
ch tâm, thì
n

ộ
i l
ự
c g
ồ
m m
ộ
t l
ự
c d
ọ
c tr
ụ
c và m
ộ
t
mô men. Phân b
ố ứ
ng su
ấ
t trong
thanh ch
ị
u l
ự
c l
ệ
ch tâm không th
ể ñề
u

ho
ặ
c
ñố
i x
ứ
ng
Ứng suất pháp do tải chính tâm và lệch tâm
•
Ứ
ng su
ấ
t trung bình
ñượ
c xem là
phân b
ố ñề
u ch
ỉ
khi thanh ch
ị
u l
ự
c
chính tâm (centric loading).
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

4
Ứng suất tiếp (Shearing Stress)

• L
ự
c
P v
à
P’ t
ác d
ụ
ng theo ph
ươ
ng ngang
lên thanh
AB.
A
P
=
ave
τ
•
Ứ
ng su
ấ
t c
ắ
t trung bình t
ươ
ng
ứ
ng là,
• N

ộ
i l
ự
c t
ươ
ng
ứ
ng trên m
ặ
t ph
ẳ
ng t
ạ
i
ti
ế
t di
ệ
n qua C
ñượ
c g
ọ
i là l
ự
c c
ắ
t.
• Ph
ân b
ố

c
ủ
a
ứ
ng su
ấ
t c
ắ
t thay
ñổ
i t
ừ
0
ở
t
ạ
i
các b
ề
m
ặ
t
ñế
n giá tr
ị
c
ự
c
ñạ
i (có th

ể
l
ớ
n
h
ơ
n r
ấ
t nhi
ề
u so v
ớ
i giá tr
ị
trung bình)
• Phân bố ứng suất cắt không thể giả thiết ñều.
∫∫
===
A
ave
dAdFAP
ττ
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

5
Các ví dụ về ứng suất cắt
A
F
A

P
==
ave
τ
C
ắ
t
ñơ
n
A
F
A
P
2
ave
==
τ
C
ắ
t
ñ
ôi
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

6
Ứng suất dập (bearing stress)
• Bu l
ông,
ñ

inh tán, ch
ố
t t
ạ
o
ra
ứ
ng su
ấ
t trên m
ố
i n
ố
i
dt
P
A
P
==
b
σ
• Cường ñộ lực trung bình tương
ứng ñược gọi là ứng suất dập
(bearing stress),
• T
ổng nội lực phân bố trên bề
mặt bằng và ngược chiều với
lực tác dụng trên chốt.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

7
• Mong mu
ố
n xác
ñị
nh
ứ
ng su
ấ
t trong các
thanh ch
ị
u l
ự
c d
ọ
c tr
ụ
c
và m
ố
i n
ố
i c
ủ
a k
ế
t c
ấ

u
nh
ư
hình v
ẽ
.
Ví dụ về phân tích và thiết kế ứng suất
•
Để
thi
ế
t k
ế
k
ế
t c
ấ
u
này, ph
ả
i xét
ứ
ng su
ấ
t
pháp l
ớ
n nh
ấ
t trong các

thanh AB và BC;
ứ
ng
su
ấ
t c
ắ
t và
ứ
ng ti
ế
p
xúc t
ạ
i các ch
ố
t n
ố
i.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

8
Sơ ñồ giải phóng liên kết
• S
ơ ñồ
ch
ị
u l
ự

c c
ủ
a k
ế
t c
ấ
u g
ồ
m
ph
ả
n l
ự
c t
ạ
i hai g
ố
i A, C và l
ự
c tác
d
ụ
ng t
ạ
i B nh
ư
hình v
ẽ
• A
y

v
à
C
y
kh
ông th
ể
xác
ñị
nh t
ừ
các
ph
ươ
ng trình trên
(
)
(
)
(
)
kN30
0kN300
kN40
0
kN40
m8.0kN30m6.00
=+
=−+==
−=−=

+==
=
−
=
=
∑
∑
∑
yy
yyy
xx
xxx
x
xC
CA
CAF
AC
CAF
A
AM
•
Đ
i
ề
u ki
ệ
n cân b
ằ
ng
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -

24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

9
Sơ ñồ chịu lực của mỗi thanh
• M
ỗ
i thanh trong k
ế
t c
ấ
u ph
ả
i tho
ả
mãn
ñ
i
ề
u ki
ệ
n cân b
ằ
ng
• K
ế
t qu
ả
:
↑=←=→= kN30kN40kN40
yxx

CCA
(
)
0
m8.00
=
−
=
=
∑
y
yB
A
AM
• X
ét m
ộ
t s
ơ ñồ
ch
ị
u l
ự
c c
ủ
a m
ộ
t thanh:
kN
30

=
y
C
Thay v
ào ph
ươ
ng trình cân b
ằ
ng
c
ủ
a k
ế
t c
ấ
u,
ñượ
c
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

10
Nội lực trong mỗi thanh
C
ác ph
ả
n l
ự
c n
ằ

m d
ọ
c theo các thanh.
Nội lực dọc trong thanh AB:
F
AB
= -A
x
= -40 kN (chịu nén)
Nội lực dọc trong thanh BC:
F
BC
= C = 50 kN (chịu kéo)
C
C
C
F
BC
F
AB
C
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

11
Nội lực trong mỗi thanh
V
ì chỉ có một thành phần nội lực nằm dọc trục thanh nên các thanh
này ñược gọi là thanh chịu lực dọc trục.
C

F
CB
F
AB
C
F
BC
F
BA
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

12
Phân tích ứng suất
• K
ế
t lu
ậ
n: thanh BC
ñủ
b
ề
n.
MPa

165
all
=
σ
• T

ừ ñặ
c tr
ư
ng c
ơ
h
ọ
c c
ủ
a thép,
ứ
ng su
ấ
t
cho phép là
K
ế
t c
ấ
u có th
ể
ch
ị
u
ñượ
c l
ự
c 30kN t
ạ
i

B?
MPa159
m
10
314
N1050
26-
3
=
×
×
==
A
P
BC
σ
• T
ạ
i ti
ế
t di
ệ
n ngang b
ấ
t k
ỳ
c
ủ
a thanh
BC, n

ộ
i l
ự
c trong thanh là
50 kN v
ớ
i
m
ộ
t c
ườ
ng
ñộ
l
ự
c hay
ứ
ng su
ấ
t:
d
BC
= 20 mm
• T
ừ
phân tích t
ĩ
nh ta
ñượ
c:

F
AB
= 40 kN (n
én
)
F
BC
= 50 kN (k
éo
)
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

13
Bài toán thiết kế
• Thiết kế một kết cấu mới, yêu cầu chọn vật liệu
thích hợp và kích thước các thanh ñể ñảm bảo
thoả mãn các ñiều kiện làm việc
• D
ựa trên tiêu chí kinh tế, trọng lượng, có sẵn trên
thị trường, v.v…, chọn thanh BC làm bằng nhôm
có ứng suất cho phép
(σ
all
= 100 MPa). H
ãychọn
ñường kính thanh
?
( )
mm2.25m1052.2

m1050044
4
m10500
Pa10100
N1050
2
26
2
26
6
3
=×=
×
==
=
×=
×
×
===
−
−
−
π
π
π
σ
σ
A
d
d

A
P
A
A
P
all
all
• M
ộ
t thanh nhôm có
ñườ
ng kính t
ố
i thi
ể
u
là
26 mm th
ì thanh
ñả
m b
ả
o b
ề
n
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

14
Ứng suất pháp trong hai thanh

• Thanh BC chịu lực kéo dọc trục 50 kN.
• Thanh AB ch
ịu nén dọc trục
40 kN v
à ứng suất trung
bình
–26.7 MPa.
• Di
ện tích tiết diện ngang nhỏ nhất ở hai ñầu thanh
không chịu ứng suất do thanh bị nén.
(
)
(
)
MPa167
m
10
300
1050
m10300mm25mm40mm20
26
3
,
26
=
×
×
==
×=−=
−

−
N
A
P
A
endBC
σ
• Ở hai ñầu thanh BC với tiết diện chữ nhật, tiết diện nhỏ
nhất xảy ra ở vị trí ñi qua tâm chốt,
• Ứng suất trung bình trong ñoạn giữa thanh BC với tiết
diện ngang (A = 314x10
-6
m
2
) là σ
BC
= +159 MPa.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

15
Ứng suất cắ t trong chốt
• Di
ện tích tiết diện chốt tại A,B, và C:
26
2
2
m10491
2
mm25

−
×=






==
ππ
rA
MPa102
m
10
491
N1050
26
3
,
=
×
×
==
−
A
P
aveC
τ
• L
ực tác dụng lên chốt C bằng lực tác dụng

lên thanh BC,
• Ch
ốt A chịu lực cắt ñôi với tổng lực tác
dụng bằng lực dọc tác dụng lên thanh
AB,
MPa7.40
m
10
491
kN20
26
,
=
×
==
−
A
P
aveA
τ
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

16
• Chia ch
ố
t t
ạ
i B làm các
ñ

o
ạ
n
ñể
xác
ñị
nh ti
ế
di
ệ
n ch
ị
u l
ự
c c
ắ
t l
ớ
n nh
ấ
t
,
(largest) kN25
kN15
=
=
G
E
P
P

MPa9.50
m
10
491
kN25
26
,
=
×
==
−
A
P
G
aveB
τ
• T
ính
ứ
ng su
ấ
t c
ắ
t trung bình t
ươ
ng
ứ
ng,
Ứng suất trong chốt
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -

24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

17
Ứng suất tiế p xúc trên chốt
•
Để
xác
ñị
nh
ứ
ng su
ấ
t ti
ế
p xúc t
ạ
i A trong
thanh AB, ta có
t = 30 mm và d = 25 mm,
( )( )
MPa3.53
mm25mm30
kN40
===
td
P
b
σ
• X
ác

ñị
nh
ứ
ng su
ấ
t ti
ế
p xúc t
ạ
i A trong móc
n
ố
i
, ta c
ó
t = 2(25 mm) = 50 mm và d = 25 mm,
( )( )
MPa0.32
mm25mm50
kN40
===
td
P
b
σ
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

18
Ứng suất trong thanh chịu lực dọc trục

• Ch
úng ta s
ẽ
th
ấ
y l
ự
c d
ọ
c tr
ụ
c
hay l
ự
c c
ắ
t ngang có th
ể
gây ra
ứ
ng su
ấ
t pháp và c
ả ứ
g su
ấ
t c
ắ
t
trên m

ặ
t c
ắ
t không vuông góc
v
ớ
i tr
ụ
c thanh.
• L
ự
c d
ọ
c tr
ụ
c trên thanh ch
ỉ
gây ra
ứ
ng su
ấ
t pháp trên
m
ặ
t c
ắ
t vuông góc v
ớ
i tr
ụ

c
thanh
• L
ự
c ngang trên
ñ
ai
ố
c hay
ch
ố
t gây nên
ứ
ng su
ấ
t c
ắ
t
trong m
ặ
t c
ắ
t vuông góc v
ớ
i
tr
ụ
c
ñ
ai

ố
c hay ch
ố
t.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

19
• X
ét m
ộ
t m
ặ
t c
ắ
t xiên trong thanh v
ớ
i
góc nghiêng
θ
so v
ớ
i tr
ụ
c thanh
.
θθ
θ
θ
τ

θ
θ
θ
σ
θ
θ
cossin
cos
sin
cos
cos
cos
0
0
2
0
0
A
P
A
P
A
V
A
P
A
P
A
F
===

===
•
Ứ
ng su
ấ
t pháp và ti
ế
p trung bình
trên m
ặ
t c
ắ
t xiên,
Ứng suất trên mặt cắt xiên
θ
θ
sin
cos
P
V
P
F
=
=
• T
ách P làm hai thành ph
ầ
n, vuông
góc và n
ằ

m trong m
ặ
t c
ắ
t
,
• Từ ñiều kiện cân bằng, phân bố
lực trên mặt cắt phải cân bằng
với lực P.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

20
•
Ứ
ng su
ấ
t pháp l
ớ
n nh
ấ
t x
ả
y ra khi m
ặ
t c
ắ
t
n
ằ

m vuông góc v
ớ
i tr
ụ
c thanh
,
0
0
m
=
′
=
τσ
A
P
•
Ứ
ng su
ấ
t ti
ế
p l
ớ
n nh
ấ
t x
ả
y ra trên m
ặ
t

c
ắ
t n
ằ
m nghiêng 1 góc
+ 45
o
so v
ớ
i tr
ụ
c
thanh
,
στ
′
===
0
0
2
45cos45sin
A
P
A
P
m
Ứng suất pháp lớn nhất
θθτθσ
cossincos
0

2
0
A
P
A
P
==
•
Ứ
ng su
ấ
t pháp và ti
ế
p trên m
ặ
t c
ắ
t xiên,
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

21
Ứng suất do lực tổng quát
• M
ộ
t chi ti
ế
t ch
ị
u tác d

ụ
ng c
ủ
a
l
ự
c t
ổ
ng quát
ñượ
c c
ắ
t làm
hai ph
ầ
n qua
Q
• Để cân bằng, một lực phân bố
tương tự có cùng ñộ lớn và
ngược chiều tác dụng lên phần
còn lại.
A
V
A
V
A
F
x
z
A

xz
x
y
A
xy
x
A
x
∆
∆
=
∆
∆
=
∆
∆
=
→
∆
→
∆
→∆
limlim
lim
0
0
0
ττ
σ
• S

ự phân bố của ứng suất bên trong
chi tiết có thể ñược ñịnh nghĩa:
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

22
• Các thành phần ứng suất ñược ñịnh nghĩa
cho các mặt phẳng nằm song song với các
trục x, y and z. Để cân bằng, các ứng suất
cùng ñộ lớn và ngược chiều tác dụng trên các
mặt khuất còn lại.
• Ch
ỉ cần 6 thành phần của ứng suất ñể xác ñịnh
trạng thái ứng suất ñầy ñủ của phân tố.
• H
ợp lực sinh bởi ứng suất phải thoả mãn
ñiều kiện cân bằng của phân tố
:
0
0
===
=
=
=
∑∑∑
∑
∑
∑
zyx
zyx

MMM
FFF
(
)
(
)
yxxy
yxxyz
aAaAM
ττ
τ
τ
=
∆
−
∆
=
=
∑
0
zyyzzyyz
τ
τ
τ
τ
=
=
and
similarly,
• X

ét mô men quanh trục z
:
Trạng thái ứng suất
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

23
Hệ số an toàn
stress allowable
stress ultimate
safety

of
Factor
all
u
==
=
σ
σ
FS
FS
Th
ành ph
ầ
n k
ế
t c
ấ
u hay chi

ti
ế
t máy ph
ả
i
ñượ
c thi
ế
t k
ế
sao cho
ứ
ng su
ấ
t làm vi
ệ
c
ph
ả
i nh
ỏ
h
ơ
n
ứ
ng su
ấ
t b
ề
n

c
ủ
a v
ậ
t li
ệ
u (
ultimate strength).
Nh
ữ
ng y
ế
u t
ố
liên quan
ñế
n xem
xét h
ệ
s
ố
an toàn:
• Sai s
ố
v
ề ñặ
c tr
ư
ng c
ủ

a v
ậ
t li
ệ
u
• Sai s
ố
v
ề
t
ả
i tác d
ụ
ng
• Sai s
ố
do phân tích
• S
ố
chu k
ỳ
t
ả
i tác d
ụ
ng
• Ki
ể
u h
ư

h
ỏ
ng
• C
ác yêu c
ầ
u v
ề
b
ả
o trì c
ũ
ng nh
ư
tác h
ạ
i do môi tr
ườ
ng gây ra
• M
ứ
c
ñộ
quan tr
ọ
ng c
ủ
a chi ti
ế
t

trong k
ế
t c
ấ
u
• M
ứ
c
ñộ
r
ủ
i ro cho cu
ộ
c s
ố
ng, tài
s
ả
n
•
Ả
nh h
ưở
ng c
ủ
a ch
ứ
c n
ă
ng máy

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

24
Ứng suất cho phép
•
Ứ
ng su
ấ
t c
ự
c
ñạ
i (ultimate stress,
σ
u
) là
ứ
ng su
ấ
t l
ớ
n nh
ấ
t mà
v
ậ
t li
ệ
u có th

ể
ch
ị
u
ñượ
c.
•
Ứ
ng su
ấ
t cho phép (allowable stress,
σ
all
) là
ứ
ng su
ấ
t mà t
ạ
i
ñ
ó k
ế
t còn có th
ể ñả
m b
ả
o kh
ả
n

ă
ng làm vi
ệ
c an toàn.
SF
u
all
σ
σ
=
Trong
ñ
ó SF là h
ệ
s
ố
an toàn (safety factor), SF l
ớ
n h
ơ
n 1.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
24 Tran Hung Tra - Nha Trang Univ.

25
Hệ số an toàn SF
SF
u
all
σ

σ
=
H
ệ
s
ố
an toàn SF (safety
factor)
ñượ
c ch
ọ
n nh
ư
th
ế
nào?
Đ
ây là v
ấ
n
ñề
ph
ứ
c t
ạ
p. Thông th
ườ
ng
khi ch
ọ

n h
ệ
s
ố
SF, các
y
ế
u t
ố
sau
ñ
ây c
ầ
n
ñượ
c
quan tâm:
• Các thay
ñổ
i v
ề
c
ơ
tính v
ậ
t li
ệ
u
có th
ể

x
ả
y ra,
• S
ố
l
ượ
ng các lo
ạ
i t
ả
i tác d
ụ
ng,
• D
ạ
ng t
ả
i tác d
ụ
ng,
• Ki
ể
u h
ư
h
ỏ
ng có th
ể
x

ả
y ra,
• Sai s
ố
do phân tích,
• Tác h
ạ
i do kém b
ả
o trì c
ũ
ng
nh
ư
do môi tr
ườ
ng gây ra,
• M
ứ
c
ñộ
quan tr
ọ
ng c
ủ
a chi ti
ế
t
trong toàn b
ộ

k
ế
t c
ấ
u
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -