Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất: bài tập có lời giải từng bước

Bài tập Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất miễn phí có hình vẽ, gợi ý và lời giải đầy đủ. Số liệu mới mỗi lần, ở ba mức độ: ứng suất chính, ứng suất tiếp lớn nhất và phương chính, ứng suất trên mặt nghiêng.

Bài tập miễn phíDễ
σx​ = 90σy​ = −20MPaphân tố chính

Tại một điểm trong chi tiết chịu tải, các ứng suất chính trong mặt phẳng là σ₁ = 90 MPa và σ₂ = −20 MPa (kéo là dương). Tìm ứng suất pháp σavg tác dụng trên các mặt có ứng suất cắt trong mặt phẳng lớn nhất.

σ1 = 90 MPaσ2 = −20 MPa
MPa
Bài tiếp theo →

Bạn luyện tập những gì

  1. Dễứng suất chính
  2. Trung bìnhứng suất tiếp lớn nhất và phương chính
  3. Khóứng suất trên mặt nghiêng

Cách giải bài tập Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất

  1. Tính tâm của vòng tròn Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Tính bán kính: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Các ứng suất chính là C ± R và ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là R.
  4. Các góc trên vòng tròn gấp đôi các góc trên phần tử: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Lỗi thường gặp

  • Dùng θ thay cho 2θ trong các phương trình biến đổi.
  • Cộng (σx − σy)/2 và τxy thay vì kết hợp chúng bằng Pythagoras.
  • Sai quy ước dấu của ứng suất tiếp.

Công thức chính

Tâm
C = (σx + σy)/2
Bán kính
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Ứng suất chính
σ1,2 = C ± R
Phương chính
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Mặt phẳng nghiêng
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Học Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất từ đầu

Trước bài này: Ứng suất và biến dạng dọc trục

1Vì sao ứng suất phụ thuộc vào hướng

Trong bài về tải trọng dọc trục, ứng suất là một con số: lực chia cho diện tích. Nhưng ứng suất tại một điểm phụ thuộc vào hướng của mặt cắt mà bạn xét.

Hãy vặn một viên phấn cho đến khi nó gãy. Nó gãy theo một đường xoắn ở 45°, không phải ngang thẳng. Trên mặt phẳng 45° đó, ứng suất kéo lớn nhất, và phấn chịu kéo kém.

Để mô tả ứng suất tại một điểm, kỹ sư vẽ một hình vuông nhỏ, gọi là phân tố ứng suất, với các ứng suất trên các mặt của nó:

σx​σy​τxy​xy
  • σx và σy là ứng suất pháp, vuông góc với các mặt. Dương nghĩa là kéo (mũi tên hướng ra ngoài), âm nghĩa là nén.
  • τxy là ứng suất tiếp, dọc theo các mặt. Nó có xu hướng biến hình vuông thành hình thoi.

Xoay hình vuông thì ứng suất trên các mặt của nó thay đổi. Bài này chỉ cách tìm chúng cho mọi hướng, và hướng nào nguy hiểm nhất.

Tự kiểm tra Tại một điểm, σx = −40 MPa. Điều này có nghĩa là gì?
  1. Một lực kéo 40 MPa theo phương x
  2. Một lực nén 40 MPa theo phương x
  3. Một lực nén 40 MPa theo phương y
  4. Một ứng suất tiếp 40 MPa

Đáp số: Một lực nén 40 MPa theo phương x. Với quy ước dấu thông thường, kéo là dương, nên σx âm là nén, tác dụng lên các mặt pháp tuyến với x.

2Vòng tròn Mohr

Vòng tròn Mohr là một hình ảnh của mọi hướng cùng lúc. Mỗi điểm trên vòng tròn là một mặt cắt có thể có qua điểm đó trong chi tiết.

Vẽ ứng suất pháp σ sang phải và ứng suất tiếp τ hướng lên. Sau đó đánh dấu hai điểm:

  • điểm x tại (σx, τxy): ứng suất trên mặt pháp tuyến với x,
  • điểm y tại (σy, −τxy): ứng suất trên mặt pháp tuyến với y.

Vòng tròn đi qua cả hai điểm. Tâm C của nó nằm trên trục σ, ở giữa hai điểm. Bán kính R suy ra từ định lý Pythagoras:

C = (σx + σy) / 2 R = √( ((σx − σy)/2)² + τxy² )
στxyCσ1​σ2​R

Nơi vòng tròn cắt trục σ, ứng suất tiếp bằng không. Hai giá trị này là các ứng suất chính, ứng suất pháp lớn nhất và nhỏ nhất tại điểm đó. Đỉnh của vòng tròn là ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng:

σ1 = C + R σ2 = C − R τmax = R
Tự kiểm tra σx = 50 MPa, σy = 10 MPa và τxy = 15 MPa. σ1 bằng bao nhiêu?
  1. 45 MPa
  2. 50 MPa
  3. 55 MPa
  4. 65 MPa

Đáp số: 55 MPa. C = 30 MPa và R = √(20² + 15²) = 25 MPa, nên σ1 = 55 MPa. Đáp án 65 là cộng 20 + 15 thay vì dùng Pythagoras; đáp án 50 bỏ qua ứng suất tiếp.

3Góc: gấp đôi trên vòng tròn

Xoay phân tố một góc θ làm điểm của nó trên vòng tròn Mohr dịch chuyển một góc 2θ, cùng chiều. Ngược chiều kim đồng hồ là dương.

Hướng của σ1 là góc θp so với trục x, tìm từ:

tan 2θp = 2τxy / (σx − σy)

Chú ý góc phần tư. Nếu σx − σy âm, hãy cộng 180° vào 2θp khi τxy > 0, hoặc trừ 180° khi τxy < 0. Rồi chia đôi.

Các mặt phẳng có ứng suất tiếp cực đại cách các phương chính 45° (90° trên vòng tròn).

Với mặt phẳng có pháp tuyến xoay một góc θ so với trục x, các ứng suất là:

σθ = C + (σx − σy)/2 · cos 2θ + τxy · sin 2θ
τθ = −(σx − σy)/2 · sin 2θ + τxy · cos 2θ
Tự kiểm tra Tại một điểm, tan 2θp = 1 và σx − σy dương. θp bằng bao nhiêu?
  1. 22,5°
  2. 45°
  3. 90°
  4. −67,5°

Đáp số: 22,5°. 2θp = 45°, nên θp = 22,5°. Trả lời 45° là quên chia đôi góc lấy từ vòng tròn. −67,5° là phương của σ2, lệch 90°.

4Phương pháp từng bước

  1. Ghi lại σx, σy và τxy kèm dấu: kéo dương, nén âm.
  2. Tìm tâm C = (σx + σy)/2.
  3. Tìm bán kính R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  4. Ứng suất chính: σ1 = C + R và σ2 = C − R. Ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng: τmax = R.
  5. Phương: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy), kiểm tra góc phần tư, rồi chia đôi.
  6. Với một mặt phẳng θ cho trước: dùng các phương trình σθ và τθ với 2θ.

Một hình phác nhanh của vòng tròn, dù sơ sài, cho bạn thấy các dấu và điểm nào là σ1.

5Một ví dụ có lời giải

Theo dõi từng bước. Hãy thử đoán bước tiếp theo trước khi mở nó.

Ví dụ có lời giải

Một điểm có σx = 80 MPa, σy = 20 MPa và τxy = 40 MPa. Tìm các ứng suất chính, τmax, phương θp của σ1, và ứng suất pháp trên mặt phẳng xoay 45° ngược chiều kim đồng hồ.

1

Quan sát phân tố

xy

Cả hai ứng suất pháp đều là kéo. Ứng suất tiếp dương.

2

Tâm và bán kính

C = (80 + 20) / 2 = 50 MPa
R = √(30² + 40²) = 50 MPa
3

Ứng suất chính và ứng suất tiếp cực đại

στxyCσ1​σ2​τmax​ = R
σ1 = 50 + 50 = 100 MPa σ2 = 50 − 50 = 0 MPa
τmax = R = 50 MPa
4

Phương chính

tan 2θp = 2 · 40 / (80 − 20) = 1,333

σx − σy dương, nên không cần hiệu chỉnh: 2θp = 53,1° và θp = 26,6° ngược chiều kim đồng hồ so với trục x.

5

Mặt phẳng xoay 45°

Với θ = 45°, 2θ = 90°: cos 2θ = 0 và sin 2θ = 1.

σθ = 50 + 30 · 0 + 40 · 1 = 90 MPa
6

Kiểm tra đáp án

Tổng σx + σy = 100 MPa bằng σ1 + σ2 = 100 MPa. Tổng này không đổi với mọi phép xoay, nên là một cách kiểm tra nhanh.

Ngoài ra, 90 MPa nằm giữa σ2 = 0 và σ1 = 100 MPa, như mọi ứng suất pháp phải thế.

Đáp số

σ1 = 100 MPa, σ2 = 0, τmax = 50 MPa, θp = 26,6° và σ45° = 90 MPa.

6Lỗi thường gặp

  • Cộng trực tiếp (σx − σy)/2 và τxy. Bán kính kết hợp chúng bằng định lý Pythagoras.
  • Dùng θ thay vì 2θ trong các phương trình biến đổi, hoặc quên chia đôi góc đọc từ vòng tròn.
  • Bỏ sót dấu trừ: ứng suất nén phải được đưa vào như một số âm.
  • Vẽ điểm y tại (σy, +τxy). Nó nằm ở −τxy, phía đối diện tâm so với x.
  • Bỏ sót góc phần tư của 2θp khi σx < σy.
Tự kiểm tra σx = 60 MPa, σy = 0 và τxy = 40 MPa. Ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là bao nhiêu?
  1. 30 MPa
  2. 40 MPa
  3. 50 MPa
  4. 70 MPa

Đáp số: 50 MPa. τmax = R = √(30² + 40²) = 50 MPa. Đáp án 70 là cộng 30 + 40; 30 bỏ qua ứng suất tiếp; 40 chỉ là τxy.

7Các câu hỏi thi trông như thế nào

  • Dễ: ứng suất chính. Cho σx, σy và τxy, tìm σ1 hoặc σ2. Các biến thể: trượt thuần túy, hoặc thanh chịu kéo dọc trục bị cắt nghiêng một góc.
  • Trung bình: ứng suất tiếp cực đại và phương chính. Tìm τmax = R hoặc góc θp, trong khoảng từ −90° đến 90°.
  • Khó: ứng suất trên mặt phẳng nghiêng. Dùng phương trình σθ hoặc τθ với 2θ. Các biến thể kết hợp tải dọc trục và xoắn, hoặc dùng các ứng suất chính trong kiểm tra phá hủy như von Mises hay Tresca.

Hãy ghi C và R ra trước. Gần như mọi câu hỏi trong chủ đề này đều giải được từ hai số đó.

Học từng bước một trong ứng dụngHọc từng bước một trong ứng dụng

Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1Dễ
σx​ = 30σy​ = 50τxy​MPa

Một điểm có σₓ = 30 MPa và σᵧ = 50 MPa, cộng với một ứng suất cắt nào đó. Trên một phân tố xoay 30°, ứng suất pháp theo phương x′ sau khi xoay là 87 MPa. Tìm ứng suất pháp σy′ theo phương y′ sau khi xoay.

σx = 30 MPaσy = 50 MPaσx′ = 87 MPaθ = 30°

Tìm σy′ (MPa)

Hiện các gợi ý
  1. Bạn không cần τₓᵧ hay các phương trình biến đổi.
  2. Tổng các ứng suất pháp trên hai mặt vuông góc là như nhau với mọi hướng (tâm của vòng tròn Mohr không dịch chuyển).
  3. σₓ + σᵧ = 80 MPa.
Hiện đáp án và lời giải từng bước

Biến đổi ứng suất phẳng: trên một mặt xoay góc θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Vòng tròn Mohr cho thấy tất cả các mặt cùng lúc: tâm của nó ở C = (σₓ + σᵧ)/2 và bán kính là R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Các ứng suất chính là C ± R, và ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là R.

Bất biến ứng suất thứ nhất

Các điểm x′ và y′ nằm ở hai đầu của một đường kính, nên trung bình của chúng luôn là tâm C.

σx′ + σy′ = σx + σy
σy′ = 30 + 50 − 87 = −7 MPa

Đáp số

σy′ = −7 MPa
Ví dụ 2Trung bình
σx​ = 0σy​ = 20τxy​ = −30MPa

Một điểm trong chi tiết chịu tải có σₓ = 0 MPa, σᵧ = 20 MPa và τₓᵧ = −30 MPa (kéo là dương). Tìm góc θp từ trục x đến phương của ứng suất chính lớn nhất, trong khoảng −90° đến 90°.

σx = 0 MPaσy = 20 MPaτxy = −30 MPa

Tìm θp (°)

Hiện các gợi ý
  1. Vẽ vòng tròn Mohr: điểm x tại (σₓ, τₓᵧ), điểm y tại (σᵧ, −τₓᵧ), tâm C ở giữa.
  2. tan 2θp = 2τₓᵧ/(σₓ − σᵧ). Chú ý góc phần tư.
  3. C = 10 MPa, R = 31,62 MPa.
Hiện đáp án và lời giải từng bước

Biến đổi ứng suất phẳng: trên một mặt xoay góc θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Vòng tròn Mohr cho thấy tất cả các mặt cùng lúc: tâm của nó ở C = (σₓ + σᵧ)/2 và bán kính là R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Các ứng suất chính là C ± R, và ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là R.

στxyCσ1​σ2​

Góc trên vòng tròn

Điểm x nằm ở góc 2θp so với trục σ trên vòng tròn Mohr; góc phần tư suy ra từ dấu của σₓ − σᵧ và τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−30, 0 − 20) = −108,4°

Góc trên phần tử

θp = −54,22°

Đáp số

θp = −54,22°

Góc dương là ngược chiều kim đồng hồ.

Ví dụ 3Khó
60°D = 500 mm, t = 5 mm, p = 2,5 MPap

Một bể hình trụ thành mỏng có đường kính trong 500 mm và chiều dày thành 5 mm chứa khí ở áp suất dư 2,5 MPa. Nó được làm từ tấm thép hàn theo một đường hàn xoắn ốc nghiêng 60° so với trục của hình trụ. Tìm độ lớn của ứng suất cắt |τn| tác dụng dọc theo đường hàn.

D = 500 mmt = 5 mmp = 2,5 MPaα = 60°

Tìm |τn| (MPa)

Hiện các gợi ý
  1. Ứng suất vòng σh = pr/t, ứng suất dọc trục σa = pr/(2t). Không có ứng suất cắt trên các mặt dọc trục và mặt vòng.
  2. Ứng suất cắt dọc theo đường hàn: |τn| = (σh − σa)·sin α·cos α.
  3. σh = 125 MPa, σa = 62,5 MPa.
Hiện đáp án và lời giải từng bước

Biến đổi ứng suất phẳng: trên một mặt xoay góc θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Vòng tròn Mohr cho thấy tất cả các mặt cùng lúc: tâm của nó ở C = (σₓ + σᵧ)/2 và bán kính là R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Các ứng suất chính là C ± R, và ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là R. Hình trụ thành mỏng: ứng suất vòng σh = pr/t và ứng suất dọc trục σa = pr/(2t); đó là các ứng suất chính trong thành.

Các ứng suất trong thành

r = 500/2 = 250 mm
σh = pr/t = 2,5·250/5 = 125 MPa
σa = pr/(2t) = 62,5 MPa

Biến đổi sang đường hàn

Lấy x dọc theo trục (σa) và y theo chiều vòng (σh). Pháp tuyến của đường hàn tạo góc 90° − α với trục.

|τn| = (125 − 62,5)·sin 60°·cos 60° = 27,06 MPa

Đáp số

|τn| = 27,06 MPa

Câu hỏi thường gặp

Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất là gì?

Trong bài về tải trọng dọc trục, ứng suất là một con số: lực chia cho diện tích. Nhưng ứng suất tại một điểm phụ thuộc vào hướng của mặt cắt mà bạn xét.

Hãy vặn một viên phấn cho đến khi nó gãy. Nó gãy theo một đường xoắn ở 45°, không phải ngang thẳng. Trên mặt phẳng 45° đó, ứng suất kéo lớn nhất, và phấn chịu kéo kém.

Làm thế nào để giải bài tập Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất từng bước?
  1. Tính tâm của vòng tròn Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Tính bán kính: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Các ứng suất chính là C ± R và ứng suất tiếp lớn nhất trong mặt phẳng là R.
  4. Các góc trên vòng tròn gấp đôi các góc trên phần tử: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).
Những lỗi thường gặp trong Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất là gì?
  • Dùng θ thay cho 2θ trong các phương trình biến đổi.
  • Cộng (σx − σy)/2 và τxy thay vì kết hợp chúng bằng Pythagoras.
  • Sai quy ước dấu của ứng suất tiếp.
Các bài tập Vòng tròn Mohr và biến đổi ứng suất bao gồm những gì?
  • Dễ: ứng suất chính
  • Trung bình: ứng suất tiếp lớn nhất và phương chính
  • Khó: ứng suất trên mặt nghiêng

Mỗi bài tập có số liệu mới, nên bạn học phương pháp chứ không học thuộc đáp án. Bí rồi? Hãy mở một gợi ý nhỏ trước, và chỉ xem giải thích đầy đủ khi cần.

Cách luyện tập hoạt động

  • Mỗi bài tập có số liệu mới, nên bạn học phương pháp chứ không học thuộc đáp án.
  • Bí rồi? Hãy mở một gợi ý nhỏ trước, và chỉ xem giải thích đầy đủ khi cần.
  • Tiến độ, lỗi sai và các bài đã lưu của bạn được giữ lại, để bạn xem lại trước kỳ thi.

Các chủ đề trước và sau chủ đề này

Học trước

Máy tính

Các môn học có chủ đề này

Thêm chủ đề trong Cơ khí

Phiếu bài tập in được