مهندسان مکانیک باید بتوانند چیزها را محاسبه کنند! یکی از مهمترین چیزهایی که یک مهندس مکانیک باید بداند پایه است تجزیه و تحلیل تنش محاسبات این راهنما تمام جنبه های اساسی این حوزه را پوشش می دهد.

اما ابتدا بیایید به اصول اولیه بپردازیم. اضطراب چیست؟ تنش مقدار نیروی داخلی است که بر سطح مولکولی بین ذرات یک ماده اعمال می شود. استرس نتیجه نیروهای خارجی اعمال شده بر چیزی است، بنابراین در همه چیزهای موجود در سیاره ما همیشه وجود دارد زیرا گرانش نیروی وزنی برای هر چیزی که جرم دارد ایجاد می کند. انواع و اقسام نیروهای اعمال شده بر روی یک ماده باعث ایجاد تنش در آن می شود و این تنش معمولاً در سطح مولکولی برای چشم ما نامرئی است. به همین دلیل است که تنش نه تنها با اعمال بار یا نیروی خارجی، بلکه به دلیل دما یا تغییرات شیمیایی که ممکن است فعالیت مولکولی روی یک ماده را افزایش دهد، یا به لطف روش‌های ساخت تخصصی که نوعی ذخیره استرس را ایجاد می‌کند، ایجاد می‌شود. به چیزی شبیه بتن و شیشه.

تنها راهی که می‌توانیم متوجه وجود تنش شویم، مشاهده نوعی تغییر شکل است. به عنوان مثال، هنگامی که یک وزنه بردار هالتر فلزی را بلند می کند، می توانیم مشاهده کنیم که در کناره ها در نزدیکی صفحات وزنه خمیدگی قابل توجهی وجود دارد. این تغییر شکل موقت “تنش الاستیک” یا کرنش نامیده می شود و دارای حد معینی است که تا آن حد موقتی باقی می ماند. در صورت تجاوز از این حد، تغییر شکل دائمی می شود و تنش نامیده می شود چسبناک یا پلاستیک فشار. به بیان ساده، تنش یک مقاومت درونی جسم در برابر تغییر شکل آن است، بنابراین محدودیتی دارد و آن حد توسط ساختار مولکولی ماده تشکیل دهنده بدن مشخص می شود.

انواع استرس

سه نوع تنش اساسی وجود دارد که بر اساس چگونگی تأثیر آنها بر بدنی که آنها را حفظ می کند، طبقه بندی می شوند، یعنی تنش فشاری، تنش برشی و تنش کششی.

• تنش کششی مقاومت ماده در برابر پارگی است، بنابراین زمانی ایجاد می شود که نیروهای مخالف جهت آن را از هم جدا کنند. یک مثال کلاسیک از استرس کششی بازی “طناب کشی” است که در آن دو تیم طناب را از هم جدا می کنند.
• تنش فشاری برعکس تنش کششی است، به این معنی که نیروها مواد را فشرده می کنند. یک مثال از این حالت این است که روی صندلی خود نشسته اید و وزن شما میله صندلی را به سمت پایین فشار می دهد و نیروی مقاومت زمین آن را به سمت بالا فشار می دهد. این منجر به ایجاد تنش فشاری در مرکز میله می شود.
• تنش برشی مقاومتی است که توسط ماده در یک نقطه مقطع خاص ایجاد می شود و در برابر نیروهای متضاد تغییر شکل اعمال شده بر خود یا اشیاء/موادی که به آن متصل هستند. نمونه ای از این عمل بریدن یک تکه کاغذ با قیچی، اعمال نیروهای مخالف در طرفین آن است که مواد کاغذ را در نقطه ای از مقطعی که تنش برشی ایجاد می شود، برش می دهد.

محاسبات پایه تحلیل استرس

استرس با “σ” نشان داده می شود و بر حسب N/m اندازه گیری می شود² یا پاسکال (Pa) که در واقع یک واحد فشار SI است. تنش برشی با “τ” برای تمایز نمادین شده است. همانطور که توسط واحدها انتظار می رود، تنش با تقسیم نیرو بر مساحت تولید آن به دست می آید و از آنجایی که این ناحیه (“A”) یا مقطعی یا محوری است، فرمول تنش اصلی “σ = F/A“.

با آزمایش یا از طریق شبیه‌سازی نرم‌افزاری، می‌توانیم بفهمیم که چه زمانی یک ماده در حال کشیده شدن یا فشرده شدن با فرمول کرنش است.ε = ΔL/L“. این تقسیم تغییر طول ماده به طول اولیه آن است. با افزایش مقدار تنش، کرنش به طور متناسب تا نقطه حد الاستیک افزایش می‌یابد که در آن تنش از الاستیک ویسکوز/پلاستیک می‌شود.

پس از محاسبه تنش و کرنش، می توان مدول الاستیسیته را محاسبه کرد که با فرمول:Ε = σ/ε“. این مدول یانگ نیز نامیده می شود و معیاری برای سفتی یک ماده است.

عنصر مهم دیگری که می‌توانیم در زمینه تحلیل تنش پایه محاسبه کنیم، «جیره پواسون» (μ) یا نسبت کرنش جانبی به کرنش طولی است. این نسبت به ویژه برای تجزیه و تحلیل عناصر سازه ای مانند تیرها، دال ها و ستون ها جالب است.

بعلاوه، اگر عناصری داشته باشیم که هم زمان تحت کشش و فشار قرار می گیرند، از فرمول تنش خمشی استفاده می کنیم که عبارت است از:σb = 3 FL/2wt²که در آن F نیرو، L طول عنصر سازه، w عرض و t ضخامت آن است. به همین ترتیب برای محاسبه مدول خمش از فرمول «Eb = FL³/4wt³y” با y انحراف در نقطه بار.

در نهایت، هیچ راهنمای «محاسبات تحلیل تنش پایه» بدون توضیح نحوه محاسبه حداکثر تنش بر اساس یک عامل ایمنی انتخاب شده کامل نخواهد بود. ضریب ایمنی با فرمول «fs = Ys / Dsبا Ys استحکام تسلیم ماده و Ds تنش طراحی است که هر دو در مرحله آزمایشی تعریف شده‌اند. سپس با محاسبه حداکثر تنش مجاز به عنوان = مقاومت کششی نهایی / ضریب ایمنی نتیجه گیری می کنیم.

جدول خلاصه فرمول های تحلیل استرس پایه