Кіріспе
Қатты денелердегі кернеулерді математикалық талдау Кернеу-деформация талдауы (немесе кернеу талдауы) – материалдар мен құрылымдарға түсетін күштердің әсеріндегі кернеу мен деформацияны анықтау үшін қолданылатын көптеген әдістерді пайдаланатын инженерлік сала. Ұздіксіз механикада кернеу – үздіксіз материалдың жанындағы бөлшектері бір-біріне түсіретін ішкі күштерді көрсететін физикалық шама, ал деформация – материалдың өзгеруінің өлшемі. Түрлендіру үшін, кернеуді деформацияға қарсы дене ұсынатын бірлік аудандағы қарсылық күші деп анықтауға болады. Кернеу – күш пен ауданның қатынасы (S = R/A, мұнда S – кернеу, R – ішкі қарсылық күші, A – көлденең қима ауданы). Деформация – сыртқы күш әсеріне ұшырағанда дененің ұзындығының бастапқы ұзындығына қатынасы (Деформация = ұзындығының өзгеруі / бастапқы ұзындығы). Кернеу талдауы – туннельдер, көпірлер, тоғандар, ұшақтар мен ракеталар, механикалық бөлшектер, тіпті пластикалық құралдар мен скрепкалар сияқты кез келген өлшемдегі құрылымдарды жобалаумен айналысатын азаматтық, механикалық және аэроғарыш инженерлерінің маңызды міндеті. Кернеу талдауы мұндай құрылымдарды күтіп-ұстау және құрылымдық бұзылулардың себептерін зерттеу үшін де қолданылады. Әдетте, кернеу талдауының бастапқы нүктесі – құрылымның геометриялық сипаттамасы, оның бөліктеріне қолданылатын материалдардың қасиеттері, бөліктердің қосылу әдісі және құрылымға түсетін максималды немесе типовой күштер. Нәтижелік деректер әдетте қолданылатын күштердің құрылым бойынша қалай таралатынын, нәтижесінде құрылымның және оның әрбір бөлігінің кернеулерінің, деформацияларының және иілуінің сандық сипаттамасы болып табылады. Талдау кезінде уақыт бойынша өзгеретін күштерді, мысалы, қозғалтқыш дірілі немесе жылжымалы көлік құралдарының жүктемесін ескеруге болады. Бұл жағдайда кернеулер мен деформациялар да уақыт пен кеңістіктің функциясы болады. Инженерлік саласында кернеу талдауы көбінесе мақсат емес, құрал болып табылады; басты мақсат – белгілі бір жүктемеге төтеп бере алатын, ең аз материалды пайдаланатын немесе басқа да оңтайлылық критерийлерін қанағаттандыратын құрылымдар мен бұйымдарды жобалау. Кернеу талдауы классикалық математикалық әдістер, аналитикалық математикалық модельдеу, есептеу симуляциясы, тәжірибелік сынақтар немесе әдістердің комбинациясы арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл мақалада «кернеу талдауы» термині ықшамдық үшін қолданылады, бірақ құрылымдардың деформациясы мен иілуі де бірдей маңызды екенін және құрылымды талдау иілуді немесе деформацияны есептеуден басталып, кернеуді есептеумен аяқталуы мүмкін екенін түсіну керек.
Stress–strain analysis (or stress analysis) is an engineering discipline that uses many methods to determine the stresses and strains in materials and structures subjected to forces. In continuum mechanics, stress is a physical quantity that expresses the internal forces that neighboring particles of a continuous material exert on each other, while strain is the measure of the deformation of the material. In simple terms we can define stress as the force of resistance per unit area, offered by a body against deformation. Stress is the ratio of force over area (S = R/A, where S is the stress, R is the internal resisting force and A is the cross sectional area). Strain is the ratio of change in length to the original length, when a given body is subjected to some external force (Strain= change in length÷the original length). Stress analysis is a primary task for civil, mechanical and aerospace engineers involved in the design of structures of all sizes, such as tunnels, bridges and dams, aircraft and rocket bodies, mechanical parts, and even plastic cutlery and staples. Stress analysis is also used in the maintenance of such structures, and to investigate the causes of structural failures. Typically, the starting point for stress analysis are a geometrical description of the structure, the properties of the materials used for its parts, how the parts are joined, and the maximum or typical forces that are expected to be applied to the structure. The output data is typically a quantitative description of how the applied forces spread throughout the structure, resulting in stresses, strains and the deflections of the entire structure and each component of that structure. The analysis may consider forces that vary with time, such as engine vibrations or the load of moving vehicles. In that case, the stresses and deformations will also be functions of time and space. In engineering, stress analysis is often a tool rather than a goal in itself; the ultimate goal being the design of structures and artifacts that can withstand a specified load, using the minimum amount of material or that satisfies some other optimality criterion. Stress analysis may be performed through classical mathematical techniques, analytic mathematical modelling or computational simulation, experimental testing, or a combination of methods. The term stress analysis is used throughout this article for the sake of brevity, but it should be understood that the strains, and deflections of structures are of equal importance and in fact, an analysis of a structure may begin with the calculation of deflections or strains and end with calculation of the stresses.
Жалпы қағидалар
Кернеуді талдау негізінен қатты денелермен айналысады. Сұйықтықтар мен газдардағы кернеулерді зерттеу – сұйықтықтар механикасының саласы. Кернеуді талдау материалдарды үздіксіз механикаға тән макроскопиялық тұрғыдан қарастырады, яғни материалдардың барлық қасиеттері жеткілікті кішкентай масштабтарда біртекті болады. Осылайша, кернеуді талдауда қарастырылатын ең кішкентай бөлшек те көптеген атомдардан тұрады, ал оның қасиеттері сол атомдардың қасиеттерінің орташа мәнін білдіреді. Кернеуді талдауда күштердің физикалық себептері немесе материалдардың нақты сипаттамалары әдетте ескерілмейді. Оның орнына, кернеулердің материалдың деформациясымен белгілі құрастырылымдық теңдеулер арқылы байланысты екені ескеріледі. Ньютонның қозғалыс заңдарына сәйкес, жүйеге әсер ететін кез келген сыртқы күштер ішкі қарсы күштермен теңестірілуі керек, және олар сыртқы күштерді теңестіретін кернеу өрістерімен бірге болады. Сызықтық серпімділікте олардың болуы деформация/ығысу сәйкестік талаптарын орындау үшін қажет, ал шекті талдауда олардың болуы құрылымның немесе бөліктің жүк көтеру қабілетін максималды деңгейге жеткізу үшін қажет. Мұндай ішкі кернеулер өндіріс процесінде (экструзия, құю немесе суық өңдеу сияқты) немесе кейіннен (мысалы, біркелкі емес қыздыру, ылғал мөлшерінің немесе химиялық құрамының өзгеруі) көптеген физикалық себептерге байланысты пайда болуы мүмкін. Дегенмен, егер жүйенің жүктемеге және жауапқа сызықтық түрде сезімтал екені болжамдалса, алдын ала жүктеменің әсерін алдын ала жүктелген және алдын ала жүктелмеген құрылымдардың нәтижелерін қосу арқылы есепке алуға болады. Егер сызықтық қатынас болмаса, кез келген ішкі кернеу қолданылатын жүктемелерден туындаған ішкі күштердің таралуына әсер етуі мүмкін (мысалы, материалдың тиімді қатаңдығын өзгерту арқылы) немесе тіпті күтпеген материалдың зақымдануына әкелуі мүмкін. Осы себептерге байланысты, ішкі кернеулерді болдырмау немесе азайту үшін бірқатар техникалар әзірленді, мысалы, суық өңделген шыны мен металл бөлшектерін қайта қыздыру, ғимараттардағы кеңею тігістері және көпірлердегі ролик тігістері.
Жайлатулар
Кернеуді талдау физикалық өлшемдері мен жүктемелердің таралуы құрылымды бір немесе екі өлшемді деп қарастыруға мүмкіндік туғызғанда жеңілдедіріледі. Көпірді талдау кезінде, егер барлық күштер көпірдің фермаларының жазықтығында әрекет етсе, оның үш өлшемді құрылымын бір жазықтық құрылым ретінде идеализациялауға болады. Сонымен қатар, әрбір элементті бір өлшемді элементтер ретінде қарастыруға болады, онда күштер әрбір элементтің осі бойымен әрекет етеді. Мұндай жағдайда дифференциалдық теңдеулер шекті белгісіздер санымен теңдеулер жиынтығына дейін қысқартылады. Егер кернеудің таралуы бір бағытта біркелкі (немесе болжамды, немесе маңызды емес) деп есептелсе, жазықтық кернеу және жазықтық деформация гипотезаларын қолдануға болады, ал кернеу өрісін сипаттайтын теңдеулер үш емес, екі координатаның функциясы болады. Материалдың сызықтық серпімді мінез-құлқы болғанда да, кернеу және деформация тензорлары арасындағы байланыс әдетте 21 тәуелсіз коэффициенті бар төртінші реттік қатаңдық тензорымен (симметриялық 6 × 6 қатаңдық матрицасы) өрнектеледі. Бұл күрделілік жалпы анизотроптық материалдар үшін қажет болуы мүмкін, бірақ көптеген кең таралған материалдар үшін оны жеңілдетуге болады. Ортотроптық материалдар үшін, мысалы, ағаш, оның қатаңдығы үш өзара перпендикуляр жазықтыққа қатысты симметриялы болса, кернеу-деформация арақатынасын білдіру үшін тоғыз коэффициент жеткілікті. Изотроптық материалдар үшін бұл коэффициенттер тек екіге дейін азаяды. Кейбір жүйе бөліктерінде кернеудің белгілі бір түрі болатынын алдын ала анықтауға болады, мысалы, бір осьті созу немесе қысу, қарапайым иілу, изотроптық созу немесе қысу, бұрылу, иілу және т.б. Мұндай бөліктерде кернеу өрісі алтыдан кем санмен, және мүмкін бір санмен ғана бейнеленуі мүмкін.
Теңдеулерді шешу
Қалай болғанда да, екі немесе үш өлшемді салалар үшін белгілі бір шекаралық шарттармен бөлшектік дифференциалдық теңдеулер жүйесін шешу қажет. Егер геометрия, құрылымдық қатынастар және шекаралық шарттар жеткілікті түрде қарапайым болса, дифференциалдық теңдеулерге аналитикалық (жабық түрдегі) шешімдер алуға болады. Күрделірек мәселелер үшін, көбінесе, шекті элементтер әдісі, шекті айырыстар әдісі және шекаралық элементтер әдісі сияқты сандық жуықтаулар қолдану керек.
Жүкті беру
Құрылымдардағы жүктемелер мен кернеулерді бағалау жүктеме беру жолын анықтауға бағытталған. Жүктемелер әртүрлі құрамдас бөліктердің арасындағы және құрылымдардың ішіндегі физикалық жанасу арқылы беріледі. Жүктеме беру жолын қарапайым құрылымдар үшін көзбен көру арқылы немесе қарапайым логикалық тұрғыдан анықтауға болады. Ал күрделі құрылымдар үшін теориялық қатты дене механикасы немесе сандық әдістер сияқты күрделі әдістер қажет болуы мүмкін. Сандық әдістерге тікелей қаттылық әдісі кіреді, ол сонымен қатар шекті элементтер әдісі деп те аталады. Мақсаты – әрбір бөліктің шекті кернеулерін анықтап, оларды материалдың беріктігімен (материалдардың беріктігін қараңыз) салыстыру. Қызмет барысында бұзылған бөлшектер үшін, әлсіздік ошақтарын анықтау мақсатында сот-медициналық сараптама немесе бұзу себептерін талдау жүргізіледі, бұзылған бөлшектер бұзу себептерін анықтау үшін зерттеледі. Бұл әдіс жүктеме беру жолындағы ең әлсіз компонентті анықтауға көмектеседі. Егер бұл компонент нақты бұзылған болса, онда бұл бұзудың тәуелсіз куәлігін растауы мүмкін. Әйтпесе, басқа себептерді іздеу қажет, мысалы, қателі бөлшектің қалыптыдан төмен созылу беріктігі болуы мүмкін.
Белгілі бір нүктедегі кернеудің графикалық бейнесі
Мордың шеңбері, Ламеңнің кернеу эллипсоиды (кернеу бағытының бетімен бірге) және Кошидің кернеу квадрикасы – бұл бір нүктедегі кернеу күйін екі өлшемді түрде көрнеудің графикалық бейнелері. Олар берілген нүктеден өтетін барлық жазықтықтар үшін кернеу тензорының шамасын графикалық түрде анықтауға мүмкіндік береді. Мордың шеңбері – ең көп қолданылатын графикалық әдіс. Кристиан Отто Мордың есімімен аталатын Мордың шеңбері, барлық бағыттағы жеке жазықтықтардағы кернеу күйін көрсететін нүктелердің геометриялық орны болып табылады. Шеңбердегі әрбір нүктенің абсциссасы (σx) және ординатасы (τ) сәйкесінше, компоненттері белгілі бір бірлік векторымен анықталатын кесу жазықтығындағы нормальды және бағаналық кернеу компоненттерін көрсетеді.
Ламедің стресс эллипсоиды
Эллипсоидтың беті континуум денесінің берілген нүктесі арқылы өтетін барлық жазықтықтарда әрекет ететін барлық кернеу векторларының соңғы нүктелерінің геометриялық орнын көрсетеді. Басқаша айтқанда, континуум денесіндегі белгілі бір нүктедегі барлық кернеу векторларының соңғы нүктелері кернеу эллипсоидінің бетінде жатады, яғни қарастырылып отырған материалдық нүктеде орналасқан эллипсоидтың ортасынан эллипсоидтың бетіндегі нүктеге дейінгі радиус-вектор сол нүкте арқылы өтетін кейбір жазықтықтағы кернеу векторына тең. Екі өлшемде бұл бет эллипс түрінде бейнеленеді (Сурет келеді).
Кошидің стресс квадрикасы
Кошидің кернеулік квадрикасы, сондай-ақ кернеулік бет деп аталады, – бұл берілген нүктеден өтетін жазықтықтың бағыты өзгерген кезде қалыпты кернеулік вектордың өзгеруін көрсететін екінші реттік бет. Дененің белгілі бір деформацияланған күйдегі, яғни дененің қозғалысы барысындағы белгілі бір сәттегі толық кернеу жағдайы, кернеу тензорының алты тәуелсіз компонентін немесе сол сәттегі дененің әрбір материалдық нүктесіндегі үш қағидалы кернеуді білуді талап етеді. Дегенмен, сандық талдау және аналитикалық әдістер кернеу тензорын тек белгілі бір дискретті материалдық нүктелерде ғана есептеуге мүмкіндік береді. Кернеу өрісінің екі өлшемді суретін графикалық түрде көрсету үшін контур сызықтарының әртүрлі жиынтығын қолдануға болады: бұл – әр материалдық нүктеде кернеудің қағидалы осьтеріне жанасатын қисықтар жүйесі. Изоклиникалық қисықтар – қағидалы осьтердің белгілі бір тұрақты бағытқа қатысты тұрақты бұрыш жасауымен сипатталатын қисықтар. Мұндай қисықтарды фотоэластикалық әдістермен тікелей алуға болады. Сығу сызықтары – қималық кернеудің максималды мәніне ие болатын қисықтар.
Isoclinics are curves on which the principal axes make a constant angle with a given fixed reference direction. These curves can also be obtained directly by photoelasticity methods. Slip lines are curves on which the shear stress is a maximum.