TAVOITTEET Esitetään vastaavalla tavalla kuin jännitystilan yhteydessä venymätilan muunnosyhtälöt Kehitetään materiaaliparametrien yhteyksiä; yleistetty Hooken laki Esitetään vaurioteoriat, joilla normaali- ja leikkausjännityksen alainen rasitustila yhdistetään vetokokeesta saatuun materiaalin lujuuteen SISÄLTÖ. Tasovenymä. Tasovenymätilan muunnosyhtälöt 3. Jännitys/muodonmuutos: yleistetty Hooken laki 4. Vaurioteoriat
0. TASOVENYMÄ Yleinen venymätila käsittää 3 normaalivenymä komponenttia (ε x, ε y, ε z ) ja 3 leikkausvenymä- (liukuma)komponenttia (γ xy, γ xz, γ yz ). Kokeellisesti tasovenymätilan venymät sadaan venymäliuskoilla kappaleen pinnasta. Tasovenymätilassa on kaksi normaalivenymäkomponenttia (ε x, ε y ) ja yksi leikkausvenymäkomponentti γ xy. 3 0. TASOVENYMÄ Kuvissa on esitetty siirtymät graafisesti. Huomaa, että normaalivenymät aiheuttavat elementin pituusmuutoksen x ja y -suuntiin ja leikkausvenymä (liukuma) aiheuttaa kahden vierekkäisen sivun suhteellisen kiertymän. Normaalivenymä ε x Normaalivenymä ε y Liukuma γ xy 4
0. TASOVENYMÄ Huomaa, että tasovenymätila ei välttämättä tarkoita tasojännitystilaa. Yleisessä tapauksessa, ellei υ 0, Poissonin efekti estää samanaikaisen tasojännitys- ja tasovenymätilan. Koska leikkausjännitykseen ja liukumaan ei vaikuta Poissonin vakio, ehto τ xz τ yz 0 edellyttää, että γ xz γ yz 0. Tasojännitystila ei aiheuta tasovenymätilaa x-y- tasossa, koska ε z 0. 5 0. TASOVENYMÄTILAN MUUNNOSYHTÄLÖT Merkkisääntö Normaalivenymät ε xz ja ε yz ovat positiivisia jos ne aiheuttavat venymiä x ja y akselien positiivisiin suuntiin Liukuma γ xy on positiivinen, jos kulma AOB on pienempi kuin 90. 6 3
0. TASOVENYMÄTILAN MUUNNOSYHTÄLÖT Normaali- ja leikkausvenymät Vastaavalla tavalla kuin aiemmin jännitysten kanssa, voidaan johtaa muunnoskaavat venymille: ε x + ε y ε x ε y γ ε x ' + cosθ + ε y' xy sin θ ε x + ε y ε x ε y γ xy cosθ sin θ ( 0-5) ( 0-6) γ xy ' ' ε x ε y γ sin θ + xy cos θ 0-7 ( ) 7 0. TASOVENYMÄTILAN MUUNNOSYHTÄLÖT Normaali- ja leikkausvenymät Graafisesti Positiivinen normaalivenymä ε x Positiivinen leikkausvenymä γ x y 8 4
0. TASOVENYMÄTILAN MUUNNOSYHTÄLÖT Päävenymät Elementtiä voidaan kiertää siten, että sen muodonmuutos on ainoastaan venymiä ilman liukumia. Materiaalin pitää olla isotrooppista (joka suuntaan samanlaista) ja koordinaattiakselien tulee yhtyä pääakseleihin. Siten yhtälöistä 9-4 ja 9-5 saadaan γ xy tan θ p - ε ε x y ( 0 8) 9 0. TASOVENYMÄTILAN MUUNNOSYHTÄLÖT Päävenymät ε x + ε y ε x ε y γ xy ε, ± + Maksimi tasovenymä Soveltaen yhtälöitä 9-6, 9-7 ja 9-8 saadaan ε tan x ε y θ s - γ xy ( 0 0) ( 0-9) γ max in -plane ε x ε y γ + xy ( 0 -) 0 5
0. TASOVENYMÄTILAN MUUNNOSYHTÄLÖT Maksimi tasovenymä Soveltaen yhtälöitä 9-6, 9-7 ja 9-8 saadaan ε avg ε x + ε y ( 0 -) 0. TASOVENYMÄTILAN MUUNNOSYHTÄLÖT YHTEENVETOA Poissonin efektin vuoksi tasovenymätila ei ole tasojännitystila ja päinvastoin. Kappaleen piste on tasojännitystilassa, jos se sijaitsee kappaleen pinnalla, joka on jännityksetän pinnan normaalin suunnassa. Tasovenymätila voidaan analysoida esim. venymäliuskoilla mitatussa tasojännitystilassa. On kuitenkin muistettava, että tällöin esiintyy myös venymää pinnan normaalin suunnassa. Päävenymätilassa ei esiinny leikkausvenymiä (liukumia). 6
0. TASOVENYMÄTILAN MUUNNOSYHTÄLÖT YHTEENVETOA Pisteen venymätila voidaan esittää myös maksimi tasovenymillä. Tällöin vaikuttaa myös tasovenymä elementissä. Elementti, jossa esiintyy maksimi tasovenymä ja sitä vastaava normaalivenymä on 45 kulmassa päävenymien suhteen. 3 ESIMERKKI 0. Materiaalin differentiaalielementti on tasovenymätilassa, jossa vaikuttaa venymät ε x 350(0-6 ), ε y 00(0-6 ), γ xy 80(0-6 ), jotka aiheuttavat kuvan mukaisen muodonmuutoksen. Määritä päävenymät ja niitä vastaavat kiertymäkulmat. 4 7
ESIMERKKI 0. (RATKAISU) Elementin suunta Yhtälöstä 0-8 saadaan 6 γ xy 80(0 ) tan θ p 6 ε ε 350 00 (0 ) x y ( ) Siten θ 8.8 ja 8.8 + 80 7, joten p p θ 4.4 ja 85.9 Positiivinen suunta on vastapäivään, joten elementti kiertyy kuvan mukaisesti: 5 ESIMERKKI 0. (RATKAISU) Päävenymät Yhtälöstä 0-9, ε, ε 030 ε x + ε y 6 ( 350 + 00)( 0 ) 350 00 80 6 ± + ( 0 ) 6 6 ( ) ± 77.9( 0 ) 6 6 ( ) ε 3530 ( ) 75.0 0 ± ε x ε y + γ xy 6 8
ESIMERKKI 0. (RATKAISU) Päävenymät Tarkistetaan kumpi näistä venymistä vaikuttaa x suuntaan soveltamalla yhtälöä 0-5 kun θ 4.4. Siten ε x + ε y ε x ε y γ xy ε x' + cosθ + sin θ 350 + 00 6 350 00 6 0 + 0 cos 4.4 ε x' 3530 ( ) ( ) ( ) 6 ( ) sin ( 4.4 ) 6 ( ) 80 0 + 7 ESIMERKKI 0. (RATKAISU) Päävenymät Siten ε x ε. Päävenymät aiheuttavat kuvan mukaisen muodonmuutoksen. 8 9
0.6 JÄNNITYS/MUODONMUUTOS:YLEISTETTY HOOKEN LAKI Yleistetty Hooken laki Materiaalissa oleva piste asetetaan kolmiaksiaaliseen jännitystilaan. Sovelletaan superpositioperiaatetta, Poissonin vakiota (ε lat υε long ) ja Hooken lakia (ε σ E) jolloin saadaan jännityksien ja venymien yhteys aina yhden akselin suunnassa. Asetetaan σ x vaikuttamaan, jolloin elementti venyy x suunnassa ja venymä on tähän suuntaan on σ ε ' x x E 9 0.6 JÄNNITYS/MUODONMUUTOS:YLEISTETTY HOOKEN LAKI Yleistetty Hooken laki Asetetaan σ y, jolloin elementti kuroutuu venymällä ε x x -suuntaan, σ y ε' ' x υ E Vastaavasti jännityksellä σ z, kurouma x suuntaan on σ ε z ' ' ' x υ E 0 0
0.6 JÄNNITYS/MUODONMUUTOS:YLEISTETTY HOOKEN LAKI Yleistetty Hooken laki Superpositioperiaatteella soveltaen samaa kahteen muuhun suuntaan saadaan ε ε ε x y z E E E [ σ υ( σ + σ )] x [ σ υ( σ + σ )] ( 0-8) y [ σ υ( σ + σ )] z y x x z z y 0.6 JÄNNITYS/MUODONMUUTOS:YLEISTETTY HOOKEN LAKI Yleistetty Hooken laki Asetetaan leikkausjännitys τ xy elementtiin, jolloin havaitaan kokeellisesti, että muodonmuutos on ainoastaan liukuma γ xy. Asetetaan vastaavasti τ xz ja γ xy, sekä τ yz ja γ yz. Hooken laki leikkaukselle on siis γ xy τ xy γ yz τ yz γ xz τ G G G xz ( 0-9)
0.6 JÄNNITYS/MUODONMUUTOS:YLEISTETTY HOOKEN LAKI E, υ, ja G välinen yhteys Aiemmin todettiin: E G +υ ( ) ( 0-0) Päävenymien ja leikkausjännityksen yhteys on τ xy ε + υ 0 E ( ) ( ) max - Koska σ x σ y σ z 0, yhtälön 0-8 mukaan ε x ε y 0. Sijoitetaan 0-9, jolloin saadaan ε ε max γ xy 3 0.6 JÄNNITYS/MUODONMUUTOS:YLEISTETTY HOOKEN LAKI E, υ, ja G välinen yhteys Hooken lain mukaan, γ xy τ xy /G. Siten ε max τ xy /G. Sijoitetaan tulos yhtälöön0- ja järjestetään uudelleen jolloin saadaan G E ( +υ) ( 0-0) 4
0.6 JÄNNITYS/MUODONMUUTOS:YLEISTETTY HOOKEN LAKI YHTEENVETOA Homogeenisilla ja isotrooppisilla materiaaleilla, jotka ovat kolmiaksiaalisessa jännitystilassa, venymän suuruus yhteen suuntaan on riippuvainen kaikista jännityksistä. Tämä johtuu Poissonin efektistä ja se voidaan tiivistää yleistetyksi Hooken laiksi. Homogeenisilla ja isotrooppisilla materiaaleilla leikkausjännitys aiheuttaa liukuman ainoastaan samassa tasossa. Materiaalivakiot E, G ja υ ovat matemaattisesti sidoksissa toisiinsa. 5 ESIMERKKI 0.0 Kuparitanko on kuvan jännitystilassa. Sen mitat ovat a 300 mm, b 50 mm ja t 0 mm ennen kuormituksen asettamista. Määritä uudet mitat kuorman asettamisen jälkeen. Materiaaliparametrit ovat E cu 0 GPa, υ cu 0.34. 6 3
ESIMERKKI 0.0 (RATKAISU) Tanko on tasojännitystilassa. Kuormituksen perusteella σ x 800 MPa σ y 500 MPa τ xy 0 σ z 0 Yleistetystä Hooken laista saadaan vastaavat venymät σ x υ ε x v E E 800 MPa 0 03 ( σ + σ ) z 0.34 0 03 ( ) MPa ( ) ( 500 ) 0. 00808 MPa 7 ESIMERKKI 0.0 (RATKAISU) Yleistetystä Hooken laista saadaan vastaavat venymät σ y υ ε y ( σ x + σ z ) E E 500 MPa 0.34 800 MPa 0.00643 0 03 MPa 0 03 ( ) ( ) ( ) ( σ + σ ) σ z υ ε z x E E 0.34 0 0 03 y ( ) ( 800 MPa 500 MPa ) 0. 00850 8 4
ESIMERKKI 0.0 (RATKAISU) Tangon uudet mitat ovat siis a' 300 mm b' 50 mm + t' 0 mm + + 0.00808( 300 mm) 30.4 mm ( 0.00643)( 50 mm) 49.68 mm ( 0.000850)( 0 mm) 9.98 mm 9 Suunnittelussa on materiaalille asetettava jännityksen yläraja, jolla se vaurioituu (myötää/murtuu). Sitkeillä materiaaleille vaurio alkaa myötämisellä. Haurailla materiaaleilla vaurion määrittää murtuminen. Suunnittelijoilla on kuitenkin käytössään vain yksiaksiaalisen vetokokeen tulos, joka ei suoraan sovellu kaksi- tai kolmiaksiaalisen jännitystilan vauriotyyppiin. Eri materiaalityypeille on johdettu lujuushypoteeseja (oletuksia), joilla arvioidaan kriittisiä jännitystasoja. 30 5
A. Sitkeät materiaalit. Maksimileikkausjännityshypoteesi (MLJH) Sitkeät materiaalit myötävät tyypillisesti liukumalla. Liukupinnat muodostuvat materiaalin raerajoille. Liukupintoja kutsutaan Lüderin viivoiksi. Kuvan mukaisesti liukupinnat ovat n. 45 asteen kulmassa vetosuunnan suhteen. 3 A. Sitkeät materiaalit. Maksimileikkausjännityshypoteesi Aiemmin on johdettu tulos maksimileikkausjännitystasolle τ σ Y ( 0 6) max - Vuonna 868 Henri Tresca esitti maksimileikkausjännityshypoteesin tai ns. Trescan vaurioteorian. 3 6
A. Sitkeät materiaalit. Maksimileikkausjännityshypoteesi Mikäli tasojännitystilan jännitykset ovat samanmerkkiset, on vaurioraja τ σ max abs max Mikäli tasojännitystilan jännitykset ovat erimerkkiset, on vaurioraja τ abs max σ max σ min 33 A. Sitkeät materiaalit. Maksimileikkausjännityshypoteesi Siten voidaan maksimileikkausjännitys tiivistää kahden pääjännityksen perusteella muotoon: σ σ } σ, σ pääjännitykset samanmerkkiset. Y Y Y ( ) σ σ } σ, σ pääjännitykset samanmerkkiset. 0-7 σ σ σ } σ, σ pääjännitykset erimerkkiset. 34 7
A. Sitkeät materiaalit. Maksimileikkausjännityshypoteesi 35 A. Sitkeät materiaalit. Vakiomuodonvääristymishypoteesi (VMVH) Energiaa yksikkötilavuuselementissä kutsutaan venymäenergiatiheydeksi. Yksiaksiaalisessa ja kolmiaksiaalisessa jännitystilassa venymäenergiatiheys on u σε ( 0-8) u σ ε + σ ε + σ3ε 3 36 8
A. Sitkeät materiaalit. Vakiomuodonvääristymishypoteesi Lineaarielastisella alueella Hooken lain mukaan σ + σ + σ u 3 ( 0-9) E υ ( σσ + σσ 3 + σ3σ ) Vakiomuodonvääristymishypoteesin mukaan sitkeä aine myötää, kun vääristymisenergia tilavuusyksikköä kohti on sama tai suurempi kuin vääristymisenergia tilavuusyksikköä kohti yksiaksiaalisessa vetokokeessa. 37 A. Sitkeät materiaalit. Vakiomuodonvääristymishypoteesi Määritetään vääristymisenergia + υ u d σ σ + σ σ3 6E Tasojännitystilassa + υ u d σ 3 E [( ) ( ) + ( σ σ ) ] ( σ σ + σ ) Vetokokeessa σ σ Y, σ σ 3 0 +ν ( ud ) Y σy 3E 3 38 9
A. Sitkeät materiaalit. Vakiomuodonvääristymishypoteesi Koska hypoteesin mukaan u d (u d ) Y, saadaan tasojännitystilassa ( 0 30) σσ + σ σ Y - σ 39 A. Sitkeät materiaalit. Vakiomuodonvääristymishypoteesi Verrataan hypoteeseja graafisesti. 40 0
B. Hauraat materiaalit 3. Maksiminormaalijännityshypoteesi Hauraat materiaalit murtuvat kuvien mukaisesti. 4 B. Hauraat materiaalit 3. Maksiminormaalijännityshypoteesi (MNJH) Maksiminormaalijännityshypoteesin mukaan hauras materiaali murtuu kun pääjännitys σ saavuttaa yksinkertaisessa vetokokeessa saadun murtorajan. Tasojännitystilassa σ σ σ σ ult ult ( 0-3) 4
B. Hauraat materiaalit 3. Maksiminormaalijännityshypoteesi Kokeellisesti on havaittu hypoteesin toimivan varsin hyvin materiaaleilla, joiden vetopuristusmurtoraja on (suunnilleen) sama. 43 B. Hauraat materiaalit 4. Mohrin vauriokriteeri Mohrin vauriokriteeriä käytetään hauraille materiaaleille, joiden veto-puristusmurtorajat ovat erilaiset. Materiaalille on tehtävä kolme testiä kriteerin määrittämiseksi. 44
B. Hauraat materiaalit 4. Mohrin vauriokriteeri Yksiaksiaalinen vetokoe, jolla saadaan vetomurtolujuus (σ ult ) t Yksiaksiaalinen puristuskoe, jolla saadaan puristusmurtolujuus(σ ult ) c Vääntökoe, jolla saadaan leikkausmurtolujuus τ ult. Tuloksena saadaan pääjännitystasossa kuvaaja: 45 YHTEENVETOA Sitkeä materiaali vaurioituu myötämällä ja hauras materiaali murtumalla. Sitkeän materiaalin vauriossa muodostuu liukupintoja materiaalin raerajoille. Liukupinnat aiheutuvat leikkausjännityksistä, joten maksimileikkausjännityshypoteesi perustuu tähän ideaan. Normaalijännityksen alaiseen materiaaliin varastoituu venymäenergiaa. 46 3
YHTEENVETOA Vakiomuodonvääristymishypoteesi perustuu ideaan, jonka mukaan materiaali vääristävä energia johtaa myötämiseen. Hauraan materiaalin murtuminen aiheutuu maksimivetojännityksestä materiaalissa. Tällöin voidaan käyttää maksimijännityshypoteesia vaurion määrittämiseen, kun materiaalin veto- ja puristuslujuudet ovat suunnilleen samat. 47 YHTEENVETOA Mikäli materiaalin veto- ja puristuskäyttäytyminen eroaa merkittävästi, voidaan käyttää Mohrin vauriokriteeriä. Materiaalin virheistä johtuen hauraiden materiaalien murtuminen on vaikeaa ennakoida, joten hauraiden materiaalien vaurioteorioita on syytä soveltaa varovaisuudella. 48 4
ESIMERKKI 0. Teräsputken sisäsäde on 60 mm ja ulkosäde 80 mm. Kun siihen vaikuttaa kuvan kuormitus, myötääkö materiaali kun sovelletaan vakiomuodonvääristymishypoteesia (VMVH)? Myötöraja vetotestin mukaan on σ Y 50 MPa. 49 ESIMERKKI 0. (RATKAISU) Rasitus on vakio koko putken pituudella. Otetaan mielivaltainen leikkaus, jolloin saadaan kuvan jännitysjakaumat. 50 5
ESIMERKKI 0. (RATKAISU) Pisteet A ja B ovat saman jännitystilan alaisia. Pisteessä A Tc ( 8000 N m)( 0.04 m) τ A 6.4 MPa J 4 4 π 0.04 m 0.03 m σ A Mc I ( ) ( ) ( ) ( 3500 N m)( 0.04 m) 4 ( π 4) ( 0.04 m) ( 0.03 m) Pääjännitykset ovat [ ] 4 [ ] σ 50.9 + 7. 76. MPa σ 50.9 7. 78.0 MPa 0.9 MPa 5 ESIMERKKI 0. (RATKAISU) VMVH:n mukaan Is ( σ σσ + σ ) σy [( 76.) ( 76.)( 78.0) + ( 78.0) ] 5,00 < 6,500 OK! σ Y Koska VMVH:n mukainen vertailujännitys on pienempi kuin yksiaksiaalisen vetokokeen mukainen myötöraja, ei materiaali vaurioidu annetulla kuormituksella.? 5 6
ESIMERKKI 0.4 Akselin säde on 0.5 cm ja sen materiaalin (teräs) myötöraja on σ Y 360 MPa. Määritä vaurioituuko akseli a) MLJH:n b) VMVH:n mukaan. 53 ESIMERKKI 0.4 (RATKAISU) Suurin leikkausjännitys vaikuttaa ulkopinnalla, joten suurimmat normaali- ja leikkausjännityskomponentit ovat σ τ τ x xy xy P A Tc J 5 kn π 6.55 kn/cm ( 0.5 cm) cm( 0.5 cm) 4 π ( 0.5 cm) 3.5 kn 9.0 kn/cm 65.5 MPa 9 MPa 54 7
ESIMERKKI 0.4 (RATKAISU) Tutkitaan elementtiä pisteessä A. Pääjännitykset ovat σ σ σ, σ x + σ y 9+ 0 9+ 0 ± 95.5 ± 9. 95.6 MPa ± 86.6 MPa σ x + σ y + τ + xy ( 65.5) 55 ESIMERKKI 0.4 (RATKAISU) Maksimileikkausjännityshypoteesi (MLJH) Koska pääjännitykset ovat erimerkkiset sovelletaan yhtälöä 0-7, σ σ σ Y ( ) Is 95.6 86.6 360? 38. > 360 Vaurio! Materiaali siis myötää MLJH:n mukaan. 56 8
ESIMERKKI 0.4 (RATKAISU) Vakiomuodonvääristymishypoteesi Soveltaen yhtälöä 0-30 saadaan Is ( σ σσ + σ ) σy [( 95.6) ( 95.6)( 86.6) ( 86.6) ] ( 360) 8,677.9 9,600 OK! VMVH:n mukaan materiaali ei myödä. Miksi?? 57 YHTEENVETO Kun materiaalin elementissä vaikuttaa muodonmuutoksia yhdessä tasossa, on kysessä tasovenymätila. Mikäli venymäkomponentit ε x, ε y, ja γ xy tunnetaan, voidaan muunnosyhtälöillä laskea venymät missä muussa koordinaatistossa tahansa. Myös päävenymätasot ja suurin tasoleikkausvenymä voidaan laskea muunnosyhtälöillä. 58 9
YHTEENVETO Mikäli päävenymät ovat samanmerkkiset, suurin leikkausvenymä on γ max ε max /. Hooken lakia voidaan soveltaa avaruustapauksessa, jolloin saadaan yleistetty Hooken laki (0-8). Jos E ja υ tunnetaan, voidaan G laskea yhteydestä G E/[( + υ]. 59 YHTEENVETO Mikäli materiaalin pääjännitykset tunnetaan, voidaan suunnittelua varten lujuushypoteeseilla arvioida materiaalin kestävyyttä kun tunnetaan vetokokeen myötö/murtolujuus. Sitkeät materiaalit vaurioituvat leikkautumalla, jolloin voidaan soveltaa joko maksimileikkausjännitys- tai vakiomuodonvääristymishypoteesia. Molemmilla hypoteeseilla saadaan vertailujännitys, jota voidaan verrata yksiaksiaalisen vetokokeen tulokseen. 60 30
YHTEENVETO Hauraat materiaalit vaurioituvat murtumalla kun suurin vetojännitys saavuttaa raja-arvon. Tällöin voidaan soveltaa joko maksiminormaalijännityshypoteesia tai Mohrin vauriokriteeriä. Saatua vertailujännityksen arvoa verrataan materiaalin vetokokeesta saatuun murtolujuuteen. 6 3