close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- Ухтинский государственный технический университет

код для вставкиСкачать
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
4
Определение предела прочности
древесины при статическом изгибе
Методические указания
Ухта, УГТУ, 2014
УДК 674.02:539.413 (075.8)
ББК 37.11 я7
С 61
Северова, Н. А.
С 61
Определение предела прочности древесины при статическом изгибе
[Текст] : метод. указания / Н. А. Северова. – Ухта : УГТУ, 2014. – 11 с.: ил.
Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы
по физике древесины для студентов II курса специальности 250400.62 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» дневной
формы обучения.
Содержание указаний соответствует рабочей программе по дисциплине Физика
древесины.
УДК 674.02:539.413 (075.8)
ББК 37.11 я7
Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой физики 04.03.2014,
пр. №02.
Рецензент: Н. П. Богданов, профессор кафедры физики Ухтинского государственного технического университета, к.ф.-м.н.
Редактор: Н. С. Пономарёв, доцент кафедры физики Ухтинского государственного технического университета, к.ф.-м.н.
Корректор: К. В. Коптяева.
Технический редактор: Л. П. Коровкина.
В методических указаниях учтены замечания рецензента и редактора.
План 2014 г., позиция 128.
Подписано в печать 30.04.2014. Компьютерный набор.
Объем 11 с. Тираж 60 экз. Заказ №284.
© Ухтинский государственный технический университет, 2014
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
Типография УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
Определение предела прочности древесины при статическом изгибе
Цель работы:
изучить механические свойства древесины на примере предела прочности, определяемого в опытах по статическому изгибу.
Материалы и оборудование:
Линейка, штангенциркуль, устройство для закрепления образцов, набор
образцов и грузов, платформа для грузов и ёмкость для сыпучего груза.
Примечание: требования к образцам по ГОСТ 16483.3–84 «Метод определения предела прочности при статическом изгибе» не соблюдаются.
Краткая теория
Использование древесины в качестве конструкционного материала для изготовления балок, стрежней, бруса, опор обусловлено особенностями её механических свойств, а также способностью древесины сопротивляться воздействию приложенных нагрузок. Под воздействием внешних сил деревянные балки,
стержни, опоры и т. д. испытывают различного рода деформации: растяжения,
сжатия, сдвига, кручения и изгиба.
Как характеристики механических свойств древесины рассматриваются:
прочность – способность сопротивляться разрушению, деформативность –
способность сопротивляться изменению размеров и формы. Древесина – анизотропный материал, для которого характерно изменение механических свойств в
зависимости от выбранного направления. Поэтому всегда следует указывать
направление действия сил: вдоль или поперёк волокон.
Деформацией твёрдого тела называется изменение размеров тела под воздействием внешних сил. Для упругих деформаций справедлив закон Гука: величина абсолютной деформации тела, ∆l, пропорциональна приложенной к
нему внешней силе, F:
F = к ∆l,
(1)
где к – коэффициент жёсткости тела.
Абсолютной деформацией называется величина
∆l = l – l0,
(2)
где 10 – начальная длина тела;
1 – длина тела после деформирования.
Относительной деформацией называется величина ε:
∆l
ε= .
(2)
lo
3
Древесина является строительным материалом, для которого в диапазоне
нагрузок, возникающих при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, выполняется закон Гука.
Под действием приложенных внешних нагрузок в сечениях деревянных
балок возникают внутренние силы, препятствующие их деформированию. Согласно третьему закону Ньютона величина внутренних сил равна величине приложенной внешней силе. Появление внутренних сил является причиной возникновения напряжений в сечении балки.
Напряжение, σ – это физическая величина, численно равная отношению
величины внутренних сил к площади поперечного сечения тела, на которое эти
силы действуют:
F
(3)
σ= .
S
В случае упругой деформации закон Гука может быть записан в виде:
σ = Еε ,
(4)
∆l
(5)
σ=Е ,
lо
где Е – модуль Юнга, который характеризует упругие свойства тела при деформации растяжения или сжатия;
lо – начальная длина тела;
∆l – изменение длины.
Модуль Юнга численно равен силе, растягивающей балку единичного
поперечного сечения вдвое по сравнению с первоначальной длиной. Единицей измерения модуля Юнга является 1 Н/м2 = 1 Па = (паскаль).
Связь между деформацией и напряжением представляется в виде диаграммы напряжений, качественный ход которой показан на рисунке 1. Деформации
твёрдых тел подчиняются закону Гука до предела пропорциональности, σп
(точка А), при увеличении напряжения до некоторого значения (точка В), называемого пределом упругости, σу, деформации остаются ещё упругими и остаточных деформаций не возникает. Напряжение, при котором появляется заметная остаточная деформация (≈ 0,2% – участок OF), называется пределом текучести, σт – точка С на кривой диаграммы напряжений. В области текучести, т.
е. пластических деформаций (участок СD), деформации возрастают без увеличения напряжения. У вязкого тела область CD значительна, у хрупких тел
она практически отсутствует.
4
Показателем прочности служит предел прочности, σр (точка Е) – максимальная величина напряжений, σmax, которую выдерживает материал без разрушений. Пределы прочности образцов древесины вдоль и попер`к волокон устанавливают при испытаниях на сжатие, растяжение, статический изгиб и
сдвиг.
Рисунок 1– Диаграмма напряжение–деформация
Показатели прочностных свойств древесины можно сопоставить в том случае, если они выполнены по одной методике. Это вызывает необходимость
стандартизации методов испытаний древесины. В настоящее время действует
около 40 штук периодически пересматриваемых стандартов (регистрационные
номера 16483,0 …39) на методы определения показателей физикомеханических свойств древесины.
Практика показала, что наиболее ценная древесина – в срединной и комлевой частях ствола. Комлевые брёвна распиливают на кряжи, которые идут на
выработку материалов специального назначения: палубных, авиационных, резонансных и ружейных кряжей. Палубные кряжи длиной от 3 до 6 м пилят
только из стволов хвойных деревьев. Они идут на изготовление открытых и закрытых палуб на судах. Такая древесина должна быть очень прочной и не бояться постоянного воздействия влаги. Ружейные кряжи, выпиленные из комлевой части берёзы и бука, идут на заготовки деревянных частей ружья: ложа,
ствольных накладок прикладов и цевья. Слегка свилеватая древесина нижней
части ствола этих деревьев отличается высокой прочностью и не поддаётся растрескиванию. Поэтому кряжи для топорищ и деталей музыкальных инструментов древоделы выпиливают именно из этой части ствола.
5
В различных конструкциях и изделиях древесина чаще всего работает на
сжатие, изгиб и скалывание. Наиболее характерное из механических свойств
древесины и весьма важное в практическом отношении – прочность при сжатии
вдоль волокон. Благодаря простоте приложения силы и сравнительно высокой
прочности древесины этот вид действия сил получил широкое применение
(стойки, стропильные фермы и т. п.). Другим примером работы древесины на
сжатие поперёк волокон служат железнодорожные шпалы в местах под рельсами. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в несколько раз меньше
(от 3 до 10), чем при сжатии вдоль волокон.
Предел прочности, σmax, при сжатии и растяжении вдоль волокон вычисляют по формуле:
P
(6)
σ max = max ,
a ⋅b
где Рmax – нагрузка;
а и b – поперечные размеры образца.
Условный предел прочности при сжатии поперёк волокон, в среднем для
всех пород, примерно в десять раз меньше предела прочности при сжатии вдоль
волокон. Предел прочности при растяжении древесины поперёк волокон в
среднем для всех пород составляет примерно 1/20 прочности при растяжении
вдоль волокон.
Предел прочности при статическом изгибе при одноточечной схеме нагружения вычисляют по формуле:
3P ⋅ l
σmax = max 2 ,
(7)
2b ⋅ h
где Рmax – максимальная нагрузка;
l – максимальное расстояние между опорами, равное 240 мм;
b – ширина образца;
h – высота образца.
В нашей работе предел прочности для круглого образца определяется по
формуле (8) для образца с сечением прямоугольной формы по формуле (9):
4m ⋅ g
,
(8)
σ max =
π⋅d2
3m ⋅ g ⋅ L
,
(9)
σ max =
2 ⋅ a ⋅ b2
где m – масса груза;
g – ускорение свободного падения;
d – диаметр;
6
L – расстояние между опорами;
a – ширина образца;
b – высота образца.
Показатели всех механических свойств, в том числе и прочности древесины, сильно зависят от влажности, причём влияние оказывает только связанная
вода. С увеличением содержания связанной воды, т. е. при увлажнении древесины до предела насыщения, прочность древесины резко снижается. При дальнейшем повышении влажности древесины (свыше 30%) прочность древесины
остаётся без изменения.
На рисунке 2 представлены возможные схемы испытаний механических
свойств древесины на изгиб. Очевидно, что в схеме в, например, при изгибе в
верхней части образца происходит сжатие вдоль волокон, а в нижней – растяжение вдоль волокон. Поэтому предел прочности при изгибе древесины по величине занимает промежуточное положение между пределом прочности при сжатии и растяжении вдоль волокон. В среднем предел прочности при изгибе приблизительно в 2 раза больше, чем при сжатии вдоль волокон, и в 1,5 раза меньше, чем при растяжении вдоль волокон.
Рисунок 2–Испытание механических свойств древесины на изгиб
Поскольку прочность на сжатие вдоль волокон значительно меньше прочности на растяжение, разрушение начинается с образования практически невидимых складок в сжатой зоне детали. Окончательное разрушение происходит в
растянутой зоне в виде разрыва или отслоения крайних волокон и полного разлома образца. Для тех деталей, прочность которых низка или мгновенно приложенная нагрузка значительно превышает предел прочности, получается почти гладкий излом (рис. 3), а при высокой прочности – защепистый (особенно в
растянутой зоне). Данные о пределе прочности при статическом изгибе для
различных пород древесины приведены в таблице 1. Так, например, для бамбука предел прочности на разрыв колеблется в пределах 0,3-0,4 ГПа при том, что
для разных сортов стали эта величина составляет 0,38-1,00 ГПа. Плотность некоторых сортов бамбука достигает 630 кг/м3.
7
Рисунок 3 – Характер разрушения древесины при статическом изгибе:
а) волокнистый (защепистый); б) раковистый (гладкий)
Высокая прочность древесины при изгибе и лёгкость приложения усилий
обусловили применение этого вида действия сил при работе деревянных деталей – всевозможных балок в фермах, мостах, подмостках и др. В среднем для
всех пород прочность при изгибе составляет 1000 кгс/см2, то есть в 2 раза
больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.
Экспериментальная часть
Испытания производятся на установке, представленной на рисунке 4, до
момента разрушения образца (схема в рис. 2). На двух вертикальных стойках 1
горизонтально располагается исследуемый образец 2 (расстояние между центрами опор L может изменяться). По шкале линейки 3 при необходимости фиксируется прогиб образца (стрела прогиба λ). На центральную часть образца
подвешивается пустой сосуд 4 с узким горлышком, который затем постепенно
заполняется водой (или сухим песком) 5.
2
3
4
5
1
1
Рисунок 4 – Схема установки
8
Указания к работе:
1. Измерьте штангенциркулем несколько раз диаметр круглого образца или
поперечные размеры квадратного (прямоугольного) в сечении образца из предложенной преподавателем древесины. Занесите средние значения измеренных
величин dср или aср и bср в таблицу 1.
2. Положите образец 2 на стойки 1 и измерьте расстояние между ними несколько раз и занесите Lср в таблицу 1.
3. Повесьте пустой сосуд 4 для сыпучего груза (или воды) в центре образца.
4. Увеличивайте массу сыпучего груза (или воды) в сосуде 4 из сосуда 5 до
момента разрушения образца.
5. Скорость нагружения образца выдерживайте равномерной.
6. После испытания запишите характер разрушения (волокнистый или защепистый излом, гладкий или раковистый) и оцените качество древесины с
точки зрения прочности.
7. Взвесьте конечную массу сосуда с грузом и вычислите максимальную
нагрузку: Рmах.= mg.
8. Предел прочности при статическом изгибе в момент испытаний для образца цилиндрического рассчитайте по формуле (8), для образца в форме параллелепипеда – по формуле (9).
9. Вычисления произведите с округлением до 0,1 МПа.
10. По указанию преподавателя выполните эксперимент на образце той же
породы древесины, но с другими параметрами, или на образце другой породы
древесины.
11. Сравните полученное значение предела прочности и его значение,
представленное в таблице 2.
Таблица 1
Порода
Образец
dср, м
aср, м
bср, м
1
2
3
1
2
3
9
Lср, м
m, кг
σ, МПа
Таблица 2
Порода
Предел прочности на изгиб, МПа, при влажности, %
12
30 и более
Лиственница
109
61
Сосна
85
49
Ель
79
43
Кедр
69
36
Пихта сибирская
68
40
Берёза
110
65
Дуб
103
66
Осина
77
45
Тополь
68
40
Бамбук
350 (на разрыв)
-
10
Контрольные вопросы
1. Какие виды деформации вы знаете?
2. Что называют абсолютной и относительной деформацией, механическим
напряжением?
3. Запишите закон Гука.
4. Нарисуйте диаграмму напряжение–деформация и укажите её характерные точки и участки.
5. Что характеризует прочность?
6. Охарактеризуйте величину прочности древесины на растяжение, сжатие,
изгиб и скалывание вдоль и поперёк волокон.
7. От чего зависит прочность древесины?
Библиографический список
1. Уголев, Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение / Б. Н. Уголев. – М. :
Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
2. Коломинова, М. В. Курс лекций по физике древесины : метод. указания для
студентов II курса направления 250400.62 – –Технология лесозаготовительных и
деревоперерабатывающих производств / М. В. Коломинова, Н. А. Северова. –
Ухта : УГТУ, 2012. – 72 с.
3. Коломинова, М. В. Механические свойства древесины : метод. указания для
студентов специальности 250401 «Лесоинженерное дело» / М. В. Коломинова. –
Ухта : УГТУ, 2011. – 48 с.
11
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа