Mérnökhallgatóként vagy mérnökként tudja, mennyire fontos, hogy a szerkezetek képesek legyenek különféle terhelések kezelésére.
De gondoltál már azokra az egyedi problémákra, amelyeket az axiális terhelés jelent? A nyíróerővel, torziós terheléssel és hajlítóterheléssel ellentétben az axiális terhelés közvetlenül a szerkezet tengelye mentén fejti ki az erőt.
Ez azt jelenti, hogy a szerkezetek tervezése, építése és karbantartása során teljesen új dolgokat kell figyelembe venni.
Ebben a cikkben részletesen kitérek az axiális terhelésre, és mindent lefedek, amit tudnia kell olyan szerkezetek építéséhez, amelyek képesek kezelni ezt a fontos erőt.
Tehát csatt, és kezdjük!.
Bevezetés az axiális terhelésbe
Formális meghatározás:
Erő, amelynek eredője áthalad egy adott szakasz súlypontján, és merőleges a szakasz síkjára.
Az axiális terhelés egyfajta terhelés, amely nyomást gyakorol egy szerkezeti elemre a tengelye mentén.
A nyíróerőtől, a torziós terheléstől és a hajlítási terheléstől eltérően az axiális terhelés nagyobb nyomófeszültséget hoz létre, mint a húzóerő vagy a nyíróerő.
Nyíróerő, torziós terhelés és hajlítási terhelés: különbségek
A nyíróerő hatására a feszültség szétterül a tárgy síkja mentén, míg a torziós terhelés hatására a feszültség szétterül a tárgy hossztengelye körül.
Ha egy teher meghajlik, az normál feszültséget és keresztirányú nyírófeszültséget hoz létre.
A normál feszültség magában foglalja mind az axiális, mind a keresztirányú feszültséget, míg a keresztirányú nyírófeszültség a torziós és a keresztirányú nyírófeszültséget egyaránt.
Az axiális terhelés jelentősége
Az axiális terhelések azért fontosak, mert megváltoztathatják mind az implantátum szerkezetét, mind a körülötte lévő csontot.
A mérnöki tudományban az axiális terhelés nagyon fontos része az oszlopok, gerendák és rácsostartók elkészítésének.
A biomechanikában az axiális terhelések megváltoztathatják a csontok mozgását, ami többek között töréseket vagy ízületi pótlást okozhat.
Emiatt mind a mérnöki, mind az orvostudományban fontos megérteni az axiális terhelés működését.
Az axiális terhelés és a keresztirányú terhelés közötti különbség
Tipp: Kapcsolja be a felirat gombot, ha szüksége van rá. Válassza az „automatikus fordítás” lehetőséget a beállítások gombban, ha nem ismeri az angol nyelvet. Előfordulhat, hogy először a videó nyelvére kell kattintania, mielőtt kedvenc nyelve elérhetővé válik a fordításhoz.
Szerkezeti elemek és axiális terhelések
A rácsostartók és oszlopok a szerkezeti elemek két gyakori típusa, amelyek többnyire axiális terhelések hordozására szolgálnak.
Tartók: jellemzők és alkalmazások
A rácsostartók olyan szerkezeti elemek, amelyek axiális erők hordozására vannak kialakítva.
Ezek az erők a legrosszabb terheléstől és terheléskombinációtól függően lehetnek feszítés, összenyomás vagy megfordítható feszítés/kompresszió.
A rácsos elemek kevesebb anyagot használnak fel, hogy megtartsák ugyanazt a súlyt.
Ez kiválóan alkalmas hidakhoz vagy tetőkhöz, amelyeknek erősnek, de nem túl nehéznek kell lenniük.
De a rácsos elemek szabadon mozoghatnak, és csak egy irányba szállíthatnak terhet.
Ez azt jelenti, hogy nem elég erősek ahhoz, hogy ellenálljanak az oldalról oldalra mozgó vagy elhajló terheknek.
Oszlopok: Jellemzők és alkalmazások
Az oszlopok az acél épületvázak függőleges részei, amelyek feltartják a födémtartókat vagy a nagy axiális nyomóterhelésnek kitett padlókat.
Leginkább úgy készültek, hogy ellenálljanak a nyomó axiális terheléseknek, de felállításuk és gyártási módja szerint ellenállnak a hajlító- és nyíróerőknek is.
Az oszlopok lehetnek kerekek, négyzetesek vagy téglalap alakúak, és készülhetnek többek között betonból, acélból vagy fából.
Kerettagok: Jellemzők és alkalmazások
Felállításuk és gyártási módjuktól függően a gerendák és oszlopok hosszuk mentén keresztirányú és axiális terhelést is hordozhatnak.
Gyakran használják padlók, tetők és falak rögzítésére építési és építési projektekben.
A rácsos elemektől eltérően azonban a keretelemeknek nem csak axiális terhelést kell viselniük; keresztirányú terhelést is képesek elviselni.
Maximális axiális terhelés meghatározása
Egy szerkezet építésénél fontos tudni, hogy egy adott elem vagy szerkezet mekkora tengelyirányú terhelést bír el.
Az oszlopok maximális axiális terhelésének kiszámítása
Ha meg szeretné tudni, hogy egy oszlop mekkora axiális terhelést képes elviselni, kiszámolhatja a KL/r értékét, majd megkeresheti a cFcr értékét egy táblázatban.
Az oszlop keresztmetszetében jelentkező feszültség az AP=f egyenlet segítségével határozható meg, ahol f-et feltételezzük, hogy a keresztmetszetben azonos.
Ismeretes, hogy a kihajlás az oszlopok meghibásodási határállapota, és az egyenlet megadja az oszlopok kritikus kihajlási terhelését Pcr (3.1).
De ahhoz, hogy egy adott oszlop kritikus kihajlási terhelését teljes mértékben kitaláljuk, több egyenletre és módszerre van szükség, és a tervezésnél figyelembe kell venni az oszlop végét és az anyag tulajdonságait.
A maximális teherbíró képesség közelítése
Az acél tervezés és a kölcsönhatási arány vizsgálata jó módja annak, hogy hozzávetőleges képet kapjunk arról, hogy egy tag mekkora súlyt tud elbírni.
Az interakciós arány az egy tag által szállítható legnagyobb súly és a tényleges súly közötti arány.
Ennek az aránynak a reciproka megmutatja, hogy az egyes tagok mennyivel több súlyt bírnak el, mielőtt eltörnének.
Fontos megjegyezni, hogy ez a módszer csak becslést ad.
A tényleges maximális terhelés, amelyet egy elem elbír, lehet alacsonyabb vagy magasabb, mint a számított érték.
Maximális axiális terhelésre tervezve
A szerkezetek tervezésekor az elemek méretezése nagyjából építészeti rajzok és egyéb releváns dokumentumok alapján történik, súlyukat pedig a legtöbb kódexből és más mélyépítési szakirodalomból származó információk alapján számítják ki.
De az építményeket úgy kell megépíteni, hogy kezeljék a kritikus terhelést, amely a legnagyobb terhelés, amely rájuk hathat.
Ez úgy történik, hogy összeadjuk az összes olyan terhelést, amelyet egy szerkezet az élettartama során képes elviselni.
Ez magában foglalja mind az élő, mind a holttereket, valamint a szél, a földrengések és más lehetséges terhelések okozta terheléseket.
Kritikus terhelés hosszú, karcsú oszlopokban
A kritikus terhelés az a legnagyobb tengelyirányú súly, amelyet egy oszlop elbír, mielőtt elkezd meghajolni.
Euler-képlet: A kritikus terhelés kiszámítása
A kritikus terhelés meghatározásához az Euler-képlet használható: Pcr = (2EI)/(KL)2, ahol Pcr az Euler-féle kritikus terhelés, E a Young-féle rugalmassági modulus, I a keresztmetszet területének legkisebb második momentuma. Az oszlop (területi tehetetlenségi nyomaték), K az oszlop effektív hossztényezője, és L az oszlop támasztatlan hossza.
A kritikus terhelés jelentősége
A kritikus terhelés fontos annak meghatározásához, hogy milyen hosszú, vékony oszlopok reagálnak az axiális nyomóerőre, mert ez nem függ az anyag erősségétől.
Ez azt jelenti, hogy vékony, hajlítható szerkezetek építésekor a mérnököknek fokozott figyelmet kell fordítaniuk a karcsúsági arányra, amely az oszlop hossza osztva a legkisebb forgási sugarával.
A magas karcsúsági arány azt jelenti, hogy a kis nyomóterhelés nagyobb valószínűséggel okozza a szerkezet törését.
Kihajlás akkor következik be, amikor a hossza mentén összenyomott egyenes oszlop hirtelen meghajlik. Ez az oszlopok meghibásodási határértéke.
Axiális mérőcellák és alkalmazásaik
A mérőcellák, amelyek egy tengely mentén mérik az erőt, axiális mérőcelláknak nevezik.
Az axiális mérőcellák működési elve
Az axiális erőmérő cellák úgy működnek, hogy a rájuk ható erőt leolvasható és leírható elektromos jellé alakítják.
Nyújtásmérőkkel mérik, hogy az axiális terhelés mennyire változtatja meg valami alakját.
Ha az erőmérő cellára a tengelye mentén erő hat, a nyúlásmérők meghajlanak, ami megváltoztatja az ellenállásukat.
Az ellenállás változását ezután elektromos jellé alakítják, amely mérhető.
Axiális mérőcellák alkalmazásai
Az axiálisan szerelt mérőcellákat számos területen alkalmazzák, például a repülőgépiparban, az autóiparban és a gyártásban.
Az axiális erőmérő cellák használatának néhány általános módja a következő:
- Épületek és hidak szerkezeti részein, például gerendákon és oszlopokon ható erő mérése építés vagy használat közben.
- A tesztelés célja, hogy kitalálja, mekkora erő szükséges valaminek összenyomásához vagy nyújtásához, vagy mekkora erő szükséges valaminek a töréséhez vagy deformálásához.
- Tartsa szemmel az olyan dolgokat, mint a hidraulikus prések, daruk és felvonók, hogy megbizonyosodjon arról, hogy biztonságosan működnek.
- A cikk alján többet is felsorolok.
Az axiális terhelés egyéb vonatkozásai
Axiális szélterhelés
Az axiális szélterhelés az az erő, amelyet a szél áramlása az épületre gyakorol.
A múltban a szélerő, különösen a tengerparti területeken, sok épület ledőlését okozta.
Az építőmérnökök az ASCE 7-16 módosított 2.2 egyenletet használják, amely figyelembe veszi az építmény talajszint feletti magasságát és azt, hogy mennyire fontos az emberek élete és vagyona szempontjából, hogy kitalálják a szél sebességét és nyomását a talajszint feletti különböző magasságokban.
Az építőmérnökök olyan képletet használnak, amely figyelembe veszi az olyan dolgokat, mint a kivetített terület, a szélnyomás, a légellenállási együttható, az expozíciós együttható, a széllökések válaszfaktora és a fontossági tényező az axiális szélterhelés kiszámításához.
Az egyik képlet az F = A x P x Cd, ahol F az erő vagy szélterhelés, A az objektum vetített területe, P a szélnyomás és Cd a légellenállási együttható.
Kifáradási szilárdság
A szerkezet kifáradási szilárdságának kiszámítása axiális és hajlítási terhelések esetén analitikai módszerekkel végezhető el, amelyek a tengelyirányú és hajlító terhelések kifáradási szilárdságának arányán alapulnak.
Ezeknél a módszereknél a kifáradási szilárdságot forgó hajlító terhelés mellett axiális terhelés alatti kifáradási szilárdságra változtatják.
Az analitikus modell működésének megismeréséhez nagyciklusú kifáradási tesztek is elvégezhetők mindkét terhelési körülmény között.
Síkfeszültség-modellek is használhatók annak meghatározására, hogy egy anyag mennyi ideig tart, ha a felületén használják, ahol az egyik fő feszültség általában nulla.
Végül az SN görbék használhatók az N ciklusban megengedett legnagyobb feszültség és a kf fáradási szilárdság csökkentési tényező meghatározására.
Golyóscsapágyak és maximális axiális terhelés
A rögzítővel (vagy kosárral) ellátott radiális golyóscsapágyak többnyire radiális terhelések kezelésére készültek, de axiális terhelések kezelésére is alkalmasak.
A csapágyra terhelhető axiális terhelés mértéke a csapágy méretétől függ, és általában a csapágy sugárirányú terhelésének százalékában adják meg.
Ha a furat átmérője és a külső gyűrű átmérője közötti különbség nagy, a csapágy axiális terhelést vehet fel, amely a sugárirányú statikus terhelés akár 50%-át is elérheti.
A vékony keresztmetszetű csapágyak futópályái sekélyebbek, ami miatt kevésbé bírják az axiális terhelést.
Szögletes érintkezőcsapágyat kell használni, ha a csapágynak nagy axiális terhelést kell elviselnie.
Ezek belülről másképp készülnek, mint a mélyhornyú golyóscsapágyak, így nagyobb axiális terhelést is elbírnak.
A meghatározott belső átmérőjű golyóscsapágyak maximális axiális terhelése több dologtól függ, például a csapágy méretétől, a csapágy futópálya mélységétől, illetve attól, hogy ki van-e téve erős radiális vagy nyomatékos terhelésnek.
A csapágyra terhelhető axiális terhelés mértékét gyakran a csapágy sugárirányú terhelésének közelítéseként adják meg.
Az SKF minimális axiális és radiális terhelést biztosít az egyedi csapágyak és csapágypárok tandem vagy háttal/szemtől szembe konfigurációban.
A golyóscsapágyakra gyakorolt legnagyobb igénybevétel attól függ, hogy belül hogyan készülnek.
Axiális terhelés a szerkezetekben
Ha egy szerkezetre közvetlenül a szerkezet tengelye mentén erőt fejtenek ki, ezt axiális terhelésnek nevezzük.
Pontterhelés esetén a terhelési pont közelében a feszültség sokkal nagyobb, mint az átlagos feszültség.
Ez nagyon bonyolult deformációkat okoz, mivel a feszültségi állapotok nagyon bonyolultak.
A normál feszültség és a nyírófeszültség egyaránt alkalmas a keresztmetszet átlagos feszültségének mérésére.
Nem számít, merre néz a keresztmetszet mentén, a feszültség mértéke ugyanaz.
A pontterhelés olyan kívülről jövő erő, amely egy kis területen összpontosul.
Használati esetek
Íme néhány módszer az axiális terhelés használatára:
| Használt: | Leírás: |
|---|---|
| Oszlop tervezése | Az oszlopok nagyszerű példái az olyan szerkezeti elemeknek, amelyek axiális terhelések elviselésére készültek. Például épületekben az oszlopok megtartják a födémek és a fenti tető súlyát, ami olyan nyomó axiális terhelést hoz létre, amelyet az oszlopnak ellenállnia kell. Az axiális terhelést fontos figyelembe venni az oszlopok tervezésekor, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az erő hatására nem hajlik el vagy eltörik. |
| Hidak | A hidak tervezésénél az axiális terhelés is nagyon fontos szempont. A nyomó axiális terheléseket a híd és az általa szállított járművek súlya okozza. A hídnak el kell viselnie ezeket a terheléseket. A hidakat olyan dolgok is befolyásolhatják, mint a szél, a földrengések és a forgalom, amelyek mindegyike hajlítónyomatékot és nyíróerőt okozhat. A biztonságos és hasznos hidak létrehozásához fontos tudni, hogy ezek a terhelések hogyan hatnak egymásra. |
| Torony tervezés | Nagy nyomó axiális terhelés nehezedik az olyan tornyokra, mint az adótornyok, a cellatornyok és a szélturbinák. Ezen szerkezetek elkészítésekor gondolni kell többek között a terhelés módjára, az anyagokra, valamint a tornyok magasságára és szélességére. Annak érdekében, hogy ezek a szerkezetek biztonságosak és hosszú élettartamúak legyenek, tudnia kell, hogyan hatnak rájuk az axiális terhelések. |
| Gyártás és tesztelés | Az axiális terhelés a gyártásban és a tesztelésben is fontos fogalom, ahol az anyagoknak és termékeknek törés vagy deformáció nélkül kell ellenállniuk bizonyos terheléseknek. Az olyan tesztelőeszközökkel, mint az axiális erőmérő cellák, megtudhatja, mekkora axiális terhelést vehet fel egy anyag vagy termék, mielőtt eltörik. |
| Repülési alkalmazások | Az axiális terhelések nagyon fontosak lehetnek rakéták, rakéták és más, űrben való használatra szánt járművek tervezése során. Az axiális terhelést a jármű súlya, sebessége vagy rezgései okozhatják. A biztonságos és hatékony rendszerek létrehozásához fontos tudni, hogy az axiális terhelések hogyan hatnak a jármű szerkezeti részeire. |
Következtetés
Amint ebben a cikkben láttuk, az axiális terhelés kulcsfontosságú része a szerkezetek tervezésének és építésének, amelyek képesek ellenállni a rájuk ható erőknek.
Amikor ezzel a fontos erővel dolgozik, sok mindenre kell gondolni, kezdve a hosszú, vékony oszlopok egyedi kihívásainak megértésével egészen az axiális erőmérő cellák mérnöki eszköztárába való felvételéig.
De az axiális terhelés arra is emlékeztet, hogy a mérnöki tudomány bonyolult terület, amely mindig változik.
Ahogy továbbra is feszegetjük a lehetséges határait, elkerülhetetlenül új problémákkal kell szembenéznünk, amelyek megoldása érdekében kreatív gondolkodást és közös munkát igényelnek.
Tehát, amikor legközelebb axiális terheléssel dolgozik, legyen nyitott és készen áll a tanulásra.
Ki tudja, milyen újdonságok vannak a következő sarkon?
Oszd meg…
