กลศาสตร์ของวัสดุ: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 14 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

ความเค้นแนวฉาก
σ = F/A
ความเครียด
ε = ΔL/L
กฎของฮุก
σ = E·ε
ความยืด
ΔL = FL/(EA)
ความเครียดจากความร้อน
εT = α·ΔT

การบิดของเพลา

ความเค้นเฉือน
τ = T·r/J
เพลาตัน
J = πd⁴/32
เพลากลวง
J = π(D⁴ − d⁴)/32
มุมบิด
φ = TL/(GJ)
กำลัง
P = T·ω = 2πnT/60

วิธีการ

  1. หาโมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้ว: J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน
  2. ความเค้นเฉือนที่ผิว: τ = T·r/J โดย r คือรัศมีภายนอก
  3. มุมบิด: φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน
  4. ถ้าโจทย์ให้กำลัง ให้หาแรงบิดก่อนด้วย P = T·ω, ω = 2πn/60

แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

แรงเฉือนและโมเมนต์
V = ΣF ด้านหนึ่ง, M = ΣF·d ด้านหนึ่ง
ความเค้นดัด
σ = M·y/I
สี่เหลี่ยมผืนผ้า
I = bh³/12
มอดูลัสหน้าตัด
W = I/ymax
รับแรงสองจุด น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
Mmax = wL²/8

วิธีการ

  1. หาปฏิกิริยาที่จุดรองรับจากสมดุลของคานทั้งตัว
  2. ตัดคานที่หน้าตัดที่ต้องการและเก็บไว้ด้านหนึ่ง
  3. แรงเฉือน: ผลรวมแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น โมเมนต์ดัด: ผลรวมโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด
  4. สำหรับโมเมนต์สูงสุด ให้หาตำแหน่งที่แรงเฉือนเป็นศูนย์

เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่

เซนทรอยด์
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
สี่เหลี่ยมผืนผ้า
I = bh³/12
ทฤษฎีบทแกนขนาน
I = Ic + A·d²
หน้าตัดประกอบ
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

ศูนย์กลาง
C = (σx + σy)/2
รัศมี
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
ความเค้นหลัก
σ1,2 = C ± R
ทิศทางหลัก
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
พื้นเอียง
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

วิธีการ

  1. คำนวณศูนย์กลางของวงกลมมอร์: C = (σx + σy)/2
  2. คำนวณรัศมี: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
  3. ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R
  4. มุมบนวงกลมเป็นสองเท่าของมุมบนชิ้นส่วน: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)

การแอ่นตัวของคาน

แรงจุดที่กึ่งกลางช่วง
δ = PL³/(48EI)
น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ รับแรงสองจุด
δ = 5wL⁴/(384EI)
คานยื่น แรงที่ปลาย
δ = PL³/(3EI)
คานยื่น น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
δ = wL⁴/(8EI)
การซ้อนทับ
δ = δ1 + δ2

การโก่งเดาะของเสา

น้ำหนักวิกฤตของออยเลอร์
Pcr = π²EI/(KL)²
ตัวประกอบความยาวประสิทธิผล
K = 1 หมุด–หมุด, 0.5 ยึดแน่น–ยึดแน่น, 0.7 ยึดแน่น–หมุด, 2 ยึดแน่น–อิสระ
ความเค้นวิกฤต
σcr = Pcr/A
ความเพรียว
λ = KL/r, r = √(I/A)

2โจทย์ฝึก

1.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง
P = ?12500 mm300 mmØ30Ø30δ = 0.4 mm

แท่งหนึ่งประกอบด้วยท่อนเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm, ยาว 500 mm, E = 200 GPa) ต่อปลายชนปลายกับท่อนที่ทำจากบรอนซ์ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm, ยาว 300 mm, E = 110 GPa) ยึดปลายหนึ่งและดึงอีกปลาย จงหาโหลดตามแนวแกน P ที่ทำให้มันยืดทั้งหมด 0.4 mm

ท่อนที่ 1: เหล็กกล้า, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPaท่อนที่ 2: บรอนซ์, Ø30 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0.4 mm
P = kN
2.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก
P = ?Ø2070 GPaØ120/70400 mm

แท่งเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 20 mm, E = 200 GPa, ความเค้นที่ยอมให้ 120 MPa) อยู่ภายในท่อที่ทำจากอะลูมิเนียม (เส้นผ่านศูนย์กลางนอก 120 mm, เส้นผ่านศูนย์กลางใน 70 mm, E = 70 GPa, ความเค้นที่ยอมให้ 60 MPa) ทั้งสองถูกอัดร่วมกันระหว่างแผ่นแข็ง จงหาโหลดสูงสุด Pmax

แท่ง: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPaท่อ: Ø120/Ø70 mm, E = 70 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
3.การบิดของเพลาปานกลาง
do​ = ?T = 100 N·m

เพลากลวงต้องรับแรงบิด 100 N·m เส้นผ่านศูนย์กลางภายในต้องเป็น 0.7 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก และความเค้นเฉือนต้องไม่เกิน 40 MPa จงหาเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกที่น้อยที่สุด do

T = 100 N·mdi/do = 0.7τallow = 40 MPa
do = mm
4.การบิดของเพลายาก
d = 40 mmTB​ = 750 N·mTC​ = 250 N·mABC1.5 m1 m

เพลา อะลูมิเนียม ตันเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 mm ยึดที่ A แรงบิด 750 N·m กระทำที่ B ห่างจาก A 1.5 m และแรงบิด 250 N·m ในทิศทางตรงข้ามกระทำที่ปลายอิสระ C ซึ่งอยู่ถัดไปอีก 1 m จงหาความเค้นเฉือนสูงสุด τmax ในเพลา

d = 40 mmTB = 750 N·mTC = 250 N·mAB = 1.5 mBC = 1 m
τmax = MPa
5.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดปานกลาง
P1​ = 55 kNP2​ = 20 kNABC3 m5 m1.5 m

คานวางบนจุดรองรับแบบหมุดที่ A และแบบลูกกลิ้งที่ B และมีส่วนยื่นเลย B ไป 1.5 m ถึงปลายอิสระ C คานรับแรงกระทำเป็นจุด P1 ระหว่างจุดรองรับ และแรงกระทำเป็นจุด P2 ที่ C จงหาโมเมนต์ดัด MB ที่จุดรองรับ B ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าตัดด้านซ้ายเป็นบวก

L = 9.5 mP1 = 55 kN ที่ 3 mP2 = 20 kN ที่ 9.5 mจุดรองรับที่ x = 0 และ x = 8 m
MB = kN·m
6.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดยาก
w = 12 kN/mP = 35 kNAB4.5 m1.5 m

คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายรับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดช่วงคาน และแรงกระทำเป็นจุด P จงหาโมเมนต์ดัดสูงสุด Mmax ในคาน

L = 6 mP = 35 kN ที่ 4.5 mw = 12 kN/m จาก 0 ถึง 6 m
Mmax = kN·m
7.เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ปานกลาง
100 mm200 mm60 mmØ50xIx​ = ?

แผ่น 100 mm × 200 mm มีรูกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm บนเส้นกึ่งกลางแนวดิ่ง โดยจุดศูนย์กลางอยู่สูงจากด้านล่าง 60 mm จงหาโมเมนต์ที่สองของพื้นที่ Ix รอบแกนนอนที่ผ่านเซนทรอยด์

b = 100 mmh = 200 mmd = 50 mmจุดศูนย์กลางของรู: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ยาก
150 mm150 mm60 mm80 × 40xIx​ = ?

แผ่น 150 mm × 150 mm มีช่องตัดสี่เหลี่ยมกว้าง 80 mm สูง 40 mm อยู่กึ่งกลางตามเส้นกึ่งกลางแนวดิ่ง โดยจุดศูนย์กลางอยู่สูงจากด้านล่าง 60 mm จงหาโมเมนต์ที่สองของพื้นที่ Ix รอบแกนนอนที่ผ่านเซนทรอยด์

b = 150 mmh = 150 mmช่องตัด: 80 × 40 mmจุดศูนย์กลางของรู: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง
σx​ = 150σy​ = −20τxy​ = −50MPa

จุดหนึ่งมี σₓ = 150 MPa, σᵧ = −20 MPa และ τₓᵧ = −50 MPa (แรงดึงเป็นบวก) ชิ้นส่วนย่อยถูกหมุน 15° ทวนเข็มนาฬิกา จงหาความเค้นตั้งฉาก σy′ บนหน้าของชิ้นส่วนย่อยที่หมุนแล้วซึ่งตั้งฉากกับแกน y′ ที่หมุนแล้ว

σx = 150 MPaσy = −20 MPaτxy = −50 MPaθ = 15°
σy′ = MPa
10.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก
60°D = 800 mm, t = 6 mm, p = 2.5 MPap

ถังทรงกระบอกผนังบางเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 800 mm ความหนาผนัง 6 mm บรรจุแก๊สที่ความดันเกจ 2.5 MPa ทำจากแผ่นเชื่อมตามรอยเชื่อมเกลียวที่ทำมุม 60° กับแกนของทรงกระบอก จงหาความเค้นตั้งฉาก σn ที่กระทำข้ามรอยเชื่อม

D = 800 mmt = 6 mmp = 2.5 MPaα = 60°
σn = MPa
11.การแอ่นตัวของคานปานกลาง
P = 2 kNABδ2 m0.5 m

คานยื่นยาว L ถูกยึดแน่นที่ A และรับแรงกระทำเป็นจุด P ที่ระยะ a = 2 m จาก A จงหาการโก่งตัว δB ที่ปลายอิสระ B

P = 2 kNa = 2 mL = 2.5 mE = 11 GPa (ไม้เนื้อแข็ง)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
12.การแอ่นตัวของคานยาก
P = 26 kNP = 26 kNABδ1.667 m1.666 m1.667 m

คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายรับแรงกระทำเป็นจุดเท่ากันสองแรง P ที่จุดหนึ่งในสามของช่วงคาน (L/3 จากแต่ละจุดรองรับ) จงใช้หลักการซ้อนทับหาการโก่งตัว δmax ที่กึ่งกลางช่วงคาน

P = 26 kNL = 5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
PL = 3 m25 × 40 mmหน้าตัด

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นที่ฐานและอิสระที่ปลายบน ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr

L = 3 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
14.การโก่งเดาะของเสายาก
P = 140 kNL = 1 md = ?หน้าตัด

เสากลมตันยาว L ทำจากอะลูมิเนียม โดยยึดแน่นที่ฐานและอิสระที่ปลายบน ต้องรับ 140 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 2.5 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d

P = 140 kNn = 2.5L = 1 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)
d = mm

3สารละลาย

1.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: P = 54.09 kN

วัสดุสองชนิด: แบบอนุกรม (ต่อกันทีละส่วน) ทุกส่วนรับแรงเท่ากันและการยืดตัวบวกกัน: δ = P·Σ L/(E·A) แบบขนาน (วางเคียงกันระหว่างแผ่นแข็ง) ทั้งสองส่วนหดเท่ากัน ดังนั้นความเครียดเท่ากัน: ส่วนที่แข็งกว่ารับสัดส่วนมากกว่า Pi = P·EiAi/ΣEA และ σi = Ei·ε แท่งที่ยึดระหว่างผนังแข็งสองด้านโดยมีโหลดที่รอยต่อเป็นโครงสร้างอินดีเทอร์มิเนต: สองส่วนแบ่งโหลดตามสัดส่วนความแข็ง k = EA/L

พื้นที่

A₁ = 706.9 mm², A₂ = 706.9 mm²

ความอ่อนตัว

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·706.9) = 3.537 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·706.9) = 3.858 × 10⁻⁶ mm/N

โหลด

P = 0.4/7.395 × 10⁻⁶ = 54090 N = 54.09 kN

คำตอบ

P = 54.09 kN
2.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: Pmax = 351.1 kN

วัสดุสองชนิด: แบบอนุกรม (ต่อกันทีละส่วน) ทุกส่วนรับแรงเท่ากันและการยืดตัวบวกกัน: δ = P·Σ L/(E·A) แบบขนาน (วางเคียงกันระหว่างแผ่นแข็ง) ทั้งสองส่วนหดเท่ากัน ดังนั้นความเครียดเท่ากัน: ส่วนที่แข็งกว่ารับสัดส่วนมากกว่า Pi = P·EiAi/ΣEA และ σi = Ei·ε แท่งที่ยึดระหว่างผนังแข็งสองด้านโดยมีโหลดที่รอยต่อเป็นโครงสร้างอินดีเทอร์มิเนต: สองส่วนแบ่งโหลดตามสัดส่วนความแข็ง k = EA/L

พื้นที่

Ar = π·20²/4 = 314.2 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

ความแข็งตามแนวแกนรวม

ΣEA = 200·10³·314.2 + 70·10³·7461 = 5.851 × 10⁸ N

ความเครียดที่เป็นตัวกำหนด

ε = min(0.0006, 0.0008571) = 0.0006 (เหล็กกล้า)

โหลดสูงสุด

Pmax = 0.0006·5.851 × 10⁸ = 351073 N = 351.1 kN

คำตอบ

Pmax = 351.1 kN
3.การบิดของเพลา

คำตอบ: do = 25.59 mm

การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τmax = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(do⁴ − di⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω

เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกจากความเค้นที่ยอมให้

T = 100 N·m = 100000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0.7⁴ = 0.7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·100000/(π·40·0.7599)) = 25.59 mm
di = 0.7·25.59 = 17.91 mm

คำตอบ

do = 25.59 mm

เพลาตันต้องมี d = 23.35 mm เพลากลวงใหญ่กว่าเล็กน้อยแต่เบากว่ามาก

4.การบิดของเพลา

คำตอบ: τmax = 39.79 MPa

การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τmax = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(do⁴ − di⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω

แรงบิดภายใน

ให้ทิศของ TC เป็นบวก

TBC = TC = 250 N·m
TAB = TC − TB = 250 − 750 = −500 N·m

ความเค้นเฉือนสูงสุด

ท่อนที่มีแรงบิดภายในมากที่สุดมีความเค้นมากที่สุด (เส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน)

|T|max = 500 N·m
τmax = 16·500000/(π·40³) = 39.79 MPa

คำตอบ

τmax = 39.79 MPa
5.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: MB = −30 kN·m

วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของคานทั้งหมด แรงที่ส่วนยื่นก็ทำให้เกิดโมเมนต์รอบจุด A ด้วย

ΣMA = 0: RB·8 = 55·3 + 20·9.5
RB = 355/8 = 44.38 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 44.38 = 30.63 kN

ตัดที่ B แล้วเก็บส่วนยื่นไว้

มีเพียง P2 ที่กระทำต่อส่วนยื่น โดยมีแขนโมเมนต์ a แรงนี้ทำให้คานโค้งขึ้นเหนือจุดรองรับ (โมเมนต์ลบ)

MB = −P2·a = −20·1.5 = −30 kN·m

คำตอบ

MB = −30 kN·m
6.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: Mmax = 83.44 kN·m

วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด โมเมนต์สูงสุด: เนื่องจาก dM/dx = V โมเมนต์ดัดจึงมีค่าสูงสุดที่ตำแหน่งซึ่งแรงเฉือนผ่านศูนย์ ซึ่งอาจเป็นที่แรงกระทำเป็นจุดหรืออยู่ภายในแรงกระทำแบบแผ่

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของคานทั้งตัว

แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 12·6 = 72 kN กระทำที่ x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 35·4.5 + 12·6·3
RB = 373.5/6 = 62.25 kN
ΣFy = 0: RA = 107 − 62.25 = 44.75 kN

V = 0 ที่ใด

RA − w·x0 = 0 → x0 = 44.75/12 = 3.729 m

โมเมนต์สูงสุด

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = 44.75·3.729 − 12·3.729²/2 = 83.44 kN·m

คำตอบ

Mmax = 83.44 kN·m

เกิดที่ x = 3.729 m จาก A

7.เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่

คำตอบ: Ix = 62.88 × 10⁶ mm⁴

หน้าตัดที่มีรู: ถือว่ารูเป็นพื้นที่ลบ เซนทรอยด์คือ ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂) โดย A₁, y₁ เป็นของแผ่นเต็ม และ A₂, y₂ เป็นของรู สำหรับโมเมนต์ที่สองของพื้นที่รอบแกนที่ผ่านเซนทรอยด์ ให้ใช้ทฤษฎีบทแกนขนานกับแต่ละส่วนแล้วลบรู: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²) โดย d คือระยะจากเซนทรอยด์ของแต่ละส่วนไปยังแกนที่ผ่าน ȳ สี่เหลี่ยมผืนผ้ามี Ic = bh³/12 และวงกลมมี Ic = πd⁴/64

เซนทรอยด์

ȳ = (20000·100 − 1963·60)/(20000 − 1963) = 104.4 mm

แผ่นเต็มรอบ ȳ

100·200³/12 + 20000·−4.354² = 67.05 × 10⁶ mm⁴

รูรอบ ȳ

π·50⁴/64 + 1963·−44.35² = 4.17 × 10⁶ mm⁴

ลบ

Ix = 62.88 × 10⁶ mm⁴

คำตอบ

Ix = 62.88 × 10⁶ mm⁴
8.เซนทรอยด์และโมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่

คำตอบ: Ix = 40.92 × 10⁶ mm⁴

หน้าตัดที่มีรู: ถือว่ารูเป็นพื้นที่ลบ เซนทรอยด์คือ ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂) โดย A₁, y₁ เป็นของแผ่นเต็ม และ A₂, y₂ เป็นของรู สำหรับโมเมนต์ที่สองของพื้นที่รอบแกนที่ผ่านเซนทรอยด์ ให้ใช้ทฤษฎีบทแกนขนานกับแต่ละส่วนแล้วลบรู: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²) โดย d คือระยะจากเซนทรอยด์ของแต่ละส่วนไปยังแกนที่ผ่าน ȳ สี่เหลี่ยมผืนผ้ามี Ic = bh³/12 และวงกลมมี Ic = πd⁴/64

เซนทรอยด์

ȳ = (22500·75 − 3200·60)/(22500 − 3200) = 77.49 mm

แผ่นเต็มรอบ ȳ

150·150³/12 + 22500·−2.487² = 42.33 × 10⁶ mm⁴

รูรอบ ȳ

80·40³/12 + 3200·−17.49² = 1.405 × 10⁶ mm⁴

ลบ

Ix = 40.92 × 10⁶ mm⁴

คำตอบ

Ix = 40.92 × 10⁶ mm⁴
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σy′ = 16.39 MPa

การแปลงความเค้นระนาบ: บนระนาบที่หมุนไป θ σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ วงกลมของมอร์แสดงทุกระนาบพร้อมกัน ศูนย์กลางอยู่ที่ C = (σₓ + σᵧ)/2 และรัศมีคือ R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R

สมการการแปลงสำหรับหน้า y′

σy′ = 65 − 85·0.866 − (−50)·0.5 = 16.39 MPa

ตรวจสอบ

ผลรวมของความเค้นตั้งฉากไม่เปลี่ยนเมื่อหมุน

σx′ = 113.6 MPa, σx′ + σy′ = 130 = σx + σy

คำตอบ

σy′ = 16.39 MPa
10.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σn = 104.2 MPa

การแปลงความเค้นระนาบ: บนระนาบที่หมุนไป θ σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ วงกลมของมอร์แสดงทุกระนาบพร้อมกัน ศูนย์กลางอยู่ที่ C = (σₓ + σᵧ)/2 และรัศมีคือ R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R ทรงกระบอกผนังบาง: ความเค้นตามเส้นรอบวง σh = pr/t และความเค้นตามแนวแกน σa = pr/(2t) ทั้งสองคือความเค้นหลักในผนัง

ความเค้นในผนัง

r = 800/2 = 400 mm
σh = pr/t = 2.5·400/6 = 166.7 MPa
σa = pr/(2t) = 83.33 MPa

แปลงไปยังรอยเชื่อม

ให้ x ตามแนวแกน (σa) และ y รอบเส้นรอบวง (σh) เส้นแนวฉากของรอยเชื่อมทำมุม 90° − α กับแกน

σn = 83.33·sin²60° + 166.7·cos²60° = 104.2 MPa

คำตอบ

σn = 104.2 MPa
11.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: δB = 28.99 mm

การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ)

หน่วยที่สอดคล้องกัน

คำนวณเป็น N และ mm: P เป็น N, w เป็น N/mm (kN/m = N/mm), L เป็น mm, E เป็น N/mm² (GPa × 1000), I เป็น mm⁴

P = 2000 N, a = 2000 mm, L = 2500 mm
EI = 2.53 × 10¹¹ N·mm²

การโก่งตัวที่ปลายอิสระ

การโก่งตัวที่แรงกระทำ บวกมุมลาดเอียงที่แรงกระทำคูณความยาวที่เหลือ

δP = Pa³/(3EI) = 21.08 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0.01581 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 28.99 mm

คำตอบ

δB = 28.99 mm
12.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: δmax = 6.866 mm

การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ)

หน่วยที่สอดคล้องกัน

คำนวณเป็น N และ mm: P เป็น N, w เป็น N/mm (kN/m = N/mm), L เป็น mm, E เป็น N/mm² (GPa × 1000), I เป็น mm⁴

P = 26000 N, L = 5000 mm
EI = 1.68 × 10¹³ N·mm²

แรงหนึ่งที่ L/3

δ₁ = Pb(3L² − 4b²)/(48EI), b = L/3 = 1667 mm
δ₁ = 3.433 mm

บวกแรงทั้งสอง

δmax = 2·δ₁ = 23PL³/(648EI) = 6.866 mm

คำตอบ

δmax = 6.866 mm
13.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: Pcr = 2.856 kN

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่น้อยที่สุด

สี่เหลี่ยมผืนผ้าจะโก่งเดาะรอบแกนอ่อน โดยใช้ด้านที่สั้นกว่ายกกำลังสาม

Imin = h·b³/12 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 2·3000 = 6000 mm

น้ำหนักวิกฤต

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·52083/6000² = 2856 N = 2.856 kN

คำตอบ

Pcr = 2.856 kN
14.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: d = 80.16 mm

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ

น้ำหนักวิกฤตที่ต้องการ

Pcr = n·P = 2.5·140000 = 350000 N
KL = 2·1000 = 2000 mm

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·350000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 80.16 mm

คำตอบ

d = 80.16 mm

ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 99.8 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechanics-of-materials